JP2023502736A - Rotating Continuous Mulch for Improved Direct Air Capture of Carbon Dioxide (DAC+) - Google Patents
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Abstract
二酸化炭素含有ガス混合物から二酸化炭素を除去するためのシステムおよび方法であって、当該システムは、閉曲線トラックに沿って移動する一群の二酸化炭素除去構造体を備える。トラックに沿った1つの位置には、各捕捉構造体が再生されるためにそこに通過する脱着または再生ボックスが設置されている。CO2除去構造体の大部分には、周囲の空気、または周囲の空気と煙道ガスのわずかな部分との混合物、および排気されたCO2浄化空気が供給される。各群内の少なくとも1つの選択されたそのような除去構造体は、捕捉構造体へのその進入の直前の位置で、CO2を少なくとも4体積%含む煙道ガスが供給される。前述のシステムと同様に動作するシステムを利用して、大気から二酸化炭素を除去する方法が提供される。【選択図】図1A system and method for removing carbon dioxide from a carbon dioxide-containing gas mixture, the system comprising a group of carbon dioxide removal structures traveling along a closed curvilinear track. One location along the track is provided with a desorption or regeneration box through which each capture structure passes to be regenerated. Most of the CO2 removal structures are supplied with ambient air, or a mixture of ambient air and a small portion of the flue gas, and exhausted CO2 purified air. At least one such selected removal structure within each group is supplied with flue gas containing at least 4% by volume of CO2 at a position immediately prior to its entry into the capture structure. A method is provided for removing carbon dioxide from the atmosphere utilizing a system that operates similarly to the system described above. [Selection drawing] Fig. 1
Description
捕捉システムおよび装置
本発明は、一般に、大気から温室効果ガスを除去するシステムおよび方法に関し、特に、周囲の空気を含むガスの流れから二酸化炭素を順番の最初に捕捉し、その後、煙道ガスを含むガスの少なくとも1つの流れから二酸化炭素を捕捉する新規かつ改良されたシステムおよび方法に関する。本発明は、当該順序が二酸化炭素の除去の異なる順序を含み得るシステムを企図する。本発明は、煙道ガスを含むガスの2つ以上の流れを含む、当該第2の連続的なステップをさらに企図する。
CAPTURE SYSTEM AND APPARATUS The present invention relates generally to systems and methods for removing greenhouse gases from the atmosphere, and more particularly to the initial capture of carbon dioxide from a gas stream comprising ambient air, followed by flue gas. A new and improved system and method for capturing carbon dioxide from at least one stream of containing gas. The present invention contemplates systems in which the sequence may include different sequences of carbon dioxide removal. The present invention further contemplates this second sequential step involving two or more streams of gas, including flue gas.
本発明は、2011年4月29日に出願された米国特許出願第13/098,370号(現在の米国特許出願第8,500,855号)および米国特許出願第9,925,488号に記載されているシステムに対する改良を提供する。特にさらに変更された場合に、以前の出願で開示されたものよりも広範囲の使用のために利用され得るものとして認識され得るシステムおよび処理が提示される。この同時係属出願の開示は、本明細書に提示される新しい開示によって変更されることにより、完全に繰り返されるかのように、参照により本明細書に援用される。 This invention is disclosed in U.S. Patent Application No. 13/098,370, filed April 29, 2011 (now U.S. Patent Application No. 8,500,855) and U.S. Patent Application No. 9,925,488. We provide an improvement to the system described. Systems and processes are presented that can be recognized as being able to be utilized for a wider range of uses than those disclosed in previous applications, particularly when further modified. The disclosure of this co-pending application, as modified by the new disclosure presented herein, is hereby incorporated by reference as if fully repeated.
現在、エネルギーに関する以下の3つの矛盾するような目標を達成することに注目が集まっている。1)経済発展のために手頃な価格のエネルギーを提供する。2)エネルギー安全保障を達成する。3)地球温暖化による特異な気候変動を回避する。ここで、経済的繁栄に必要なエネルギーを確保し、紛争につながりかねないエネルギー不足を回避するためには、今世紀の残りの期間の間に化石燃料の使用を完全に回避する方法は実現可能ではないと仮定する。 At present, the focus is on achieving three conflicting energy goals: 1) Provide affordable energy for economic development. 2) Achieve energy security. 3) Avoid peculiar climate change caused by global warming. Here, avoiding the use of fossil fuels entirely for the remainder of this century is not feasible to ensure the energy needed for economic prosperity and to avoid energy shortages that could lead to conflict. Assume no.
二酸化炭素などのいわゆる温室効果ガス(メタンおよび水蒸気も他の主要な温室効果ガスである)の量の増加が地球の平均気温を上昇させることは、尊敬すべき科学者の間ではほとんど異論がない。 There is little disagreement among respected scientists that increasing amounts of so-called greenhouse gases such as carbon dioxide (methane and water vapor are other major greenhouse gases) raise the average global temperature. .
また、気候変動のリスクは、人間が排出する二酸化炭素の量を減らすことでしか解消されないことも明らかである。直接的な空気捕獲または直接的空気抽出(DAC)として知られる、大気からのさらなるCO2を除去することも必要である。空気抽出および大気中の二酸化炭素の量を減らす能力により、気候変動を引き起こす可能性のあるメタンのような(自然界および人間活動の双方から大気中に放出される)他の温室効果ガスの排出を補償することができる。 It is also clear that the risks of climate change can only be eliminated by reducing the amount of carbon dioxide emitted by humans. It is also necessary to remove additional CO2 from the atmosphere, known as direct air capture or direct air extraction (DAC). Through air extraction and the ability to reduce the amount of carbon dioxide in the atmosphere, emissions of other greenhouse gases such as methane (released into the atmosphere from both natural and human activities) that can cause climate change. can be compensated.
特に過去10年間で、この分野の専門家の間では、大気中のいわゆる「温室効果」ガスの増加を少なくとも遅らせるために、二酸化炭素の濃度が低いにもかかわらず、大気から直接二酸化炭素を回収することが経済的に実現可能であるという考えが一般的になってきている。現在では、適切に再生可能な吸着剤システムと、やや高いが比較的低温の剥離または再生処理を用いて、周囲条件下で大気からCO2を効率的に抽出でき、また、このような処理を、大量の周囲の空気と混合した排ガスの混合物からCO2を除去するために拡張して組み合わせることができ、煙道ガスからCO2を除去するだけでなく大気からさらにCO2を除去できることが理解されている。これにより、低コストで、かつ、高い効率で大気中のCO2を純減することができる。 Especially in the last decade, among experts in the field, it has been suggested that the capture of carbon dioxide directly from the atmosphere, despite its low concentration, would at least slow the rise of so-called "greenhouse" gases in the atmosphere. It is becoming more common to think that it is economically feasible to It is now possible to efficiently extract CO2 from the atmosphere under ambient conditions using suitably regenerable sorbent systems and moderately expensive but relatively low temperature stripping or regeneration processes, and such processes can be , can be extended and combined to remove CO2 from flue gas mixtures mixed with bulk ambient air, and can remove CO2 not only from flue gas but also from the atmosphere. It is This allows net reduction of atmospheric CO 2 at low cost and with high efficiency.
本発明は、多量の二酸化炭素含有空気から二酸化炭素を除去するためのDACシステムおよび方法に対して、より高い効率で、かつ、より低い資本経費(「CAPEX」)およびより低い運用経費(「OPEX」)を含むより低い全体コストで、さらなる新規かつ有用な改良を提供するものである。 The present invention provides a DAC system and method for removing carbon dioxide from bulk carbon dioxide laden air with higher efficiency and lower capital costs ("CAPEX") and operating costs ("OPEX"). ”) at a lower overall cost, and provide further new and useful improvements.
本発明の概要
本発明によれば、複数の別々のCO2捕捉構造体のアセンブリを利用する新規な処理およびシステムが開発される。アセンブリの各々が基材粒子のベッドを備え得る基材捕捉構造体を支持する。基材捕捉構造体は、捕捉されたCO2含有吸着剤の再生速度と比較して、周囲の空気からの、または、CO2を除去するために処理される任意のガス混合物からの吸着速度の比率に依存する比率で単一の再生ボックスと組み合わされる。好ましい実施形態では、CO2捕捉構造体は、実質的に連続した閉ループのトラック上に支持され、好ましくは閉曲線を形成し、その上で、CO2捕捉構造体は、周囲の空気の流動、または周囲の空気の大部分を含むガスの混合物に晒されながらトラックに沿って連続して長手方向に移動される。代替的に、捕捉構造体は、開放されたトラックに沿って長手方向前後に移動され得る。
SUMMARY OF THE INVENTION In accordance with the present invention, novel processes and systems are developed that utilize the assembly of multiple separate CO2 capture structures. Each of the assemblies supports a substrate capture structure that may comprise a bed of substrate particles. The substrate capture structure reduces the rate of adsorption from ambient air or from any gas mixture being processed to remove CO2 compared to the regeneration rate of the captured CO2 - containing adsorbent. Combined with a single play box in ratio dependent ratios. In a preferred embodiment, the CO2 trapping structure is supported on a substantially continuous closed loop track, preferably forming a closed curve, over which the CO2 trapping structure is exposed to ambient air flow, or It is continuously moved longitudinally along the track while being exposed to a gas mixture containing most of the ambient air. Alternatively, the capture structure can be moved longitudinally back and forth along the open track.
トラックに沿った1つの場所で長手方向の移動が停止し、CO2捕捉構造体の1つが処理のために密封されたボックス内に移動され、吸着剤からCO2を剥離させて吸着剤を再生する。吸着剤が再生されると、次のCO2捕捉構造体が再生ボックスに入力する位置に来るまで、捕捉構造体はトラックの周りを回転し、次にすべてのCO2捕捉構体の回転が停止される。本発明の改良では、捕捉構造体の少なくとも1つに周囲の空気の代わりに煙道ガスを収容させて、好ましくは、他の捕捉構造体の少なくとも大部分に周囲の空気が供給される。最も好ましくは、再生ボックスの前の最後のステーション、すなわち、段階が、純粋だが前処理された煙道ガス、または煙道ガスと周囲の空気との混合物(ここでは炭化煙道ガスと呼ぶ)である煙道ガス入力を受け取ることである。 At one location along the track longitudinal movement stops and one of the CO2 capture structures is moved into a sealed box for processing, stripping the CO2 from the adsorbent and regenerating the adsorbent. do. Once the sorbent is regenerated, the capture structure rotates around the track until the next CO2 capture structure is positioned to enter the regeneration box, then all CO2 capture structures are stopped from rotating. be. A refinement of the invention is to have at least one of the acquisition structures contain flue gas instead of ambient air, and preferably at least a majority of the other acquisition structures are supplied with ambient air. Most preferably, the last station before the regeneration box, i.e. the stage, is pure but pretreated flue gas or a mixture of flue gas and ambient air (referred to herein as carbonized flue gas). It is to receive a certain flue gas input.
入力煙道ガスの速度および濃度は入力側で独立して制御されるが、出力は別個のマニホールドを使用し得るファンによって引き出される。理想的には、状況によっては、これは純粋なDACユニットへの改造であり得る。再生ボックスに入力する前に、追加のCO2を加えて捕捉構造体基材内で吸着剤を予熱する。再生ボックスでの脱着後の捕捉構造体基材および吸着剤の冷却は変わらないままであるが、再生開始前に既にアレイが予熱されているので、除去した熱が異なって使われ得る。DACとキャブレターユニットとを分離した場合と比べて、この統合的なアプローチは以下のような利点がある。
1.1DACプラント当たりのCO2の総生産量を30%から50%(期待値)増加させ、それにより1メートルトン当たりの設備投資額を削減する。
2.DACと同様の資本プラントを使用して、煙道ガス捕捉成分の資本コストを削減する。
3.生産されたCO2の1メートルトン当たりの使用エネルギーが減少する。それは、
A.高濃度CO2を結合するアミン部位は反応熱が低いからである(なお、本実施形態では、一級アミンを含む吸着剤のみではなく、二級アミンを含む吸着剤など、別の吸着剤、または混合物が最適である可能性がある)。
B.同一の顕熱に対して生成されるCO2が多いためである。
C.煙道から出る熱がアレイを予熱するために使用されるからである。
The input flue gas velocity and concentration are independently controlled at the input, while the output is drawn by a fan which may use a separate manifold. Ideally, in some circumstances this could be a retrofit to a pure DAC unit. Additional CO2 is added to preheat the adsorbent within the capture structure matrix prior to entering the regeneration box. Cooling of the capture structure substrate and adsorbent after desorption in the regeneration box remains unchanged, but the heat removed can be used differently since the array is already preheated before regeneration begins. Compared to separate DAC and carb units, this integrated approach has the following advantages:
1. Increase total CO2 production per DAC plant by 30% to 50% (expected value), thereby reducing capital investment per metric ton.
2. Using a capital plant similar to the DAC reduces the capital cost of the flue gas capture component.
3. Less energy is used per metric ton of CO2 produced. that is,
A. This is because the amine sites that bind high concentrations of CO have a low heat of reaction (note that in this embodiment, not only adsorbents containing primary amines, but also other adsorbents, such as those containing secondary amines, or mixtures may be optimal).
B. This is because more CO2 is produced for the same sensible heat.
C. This is because the heat from the flue is used to preheat the array.
3つの考慮すべき場合が存在する。
1.熱電併給ユニットがシステム設備の熱および電力を供給するような大きさに形成されている単独の場合。
2.より大きな熱電併給施設に接続されているため、利用可能な熱および煙道ガスCO2はDACユニットに使用されるよりも多く、余分な電気および熱が発生されてしまう。
3.煙道ガスCO2の除去の必要性に基づいて電源からCO2を捕捉し、設けられたDACの大きさを決定するマイナス炭素発電所の場合(この場合、施設全体がマイナス炭素であるため、コストに基づいて煙道ガスCO2の捕捉量を選択することができる(例えば、発電所が排出するCO2よりも多く除去する)。
There are three cases to consider.
1. A single case where the cogeneration unit is sized to supply the heat and power of the system installation.
2. Being connected to a larger cogeneration facility, the available heat and flue gas CO2 is more than used for the DAC unit, resulting in excess electricity and heat being generated.
3. In the case of a negative carbon power plant that captures CO2 from the power supply based on the need for removal of flue gas CO2 and determines the size of the provided DAC (in this case, since the entire facility is negative carbon, The amount of flue gas CO2 capture can be selected based on cost (eg, remove more CO2 than the power plant emits).
上記の3つの場合に対して、同一の設計が成り立つことがわかるであろう。変更するのは熱電併給発電所の大きさだけである。上記1ではDACのエネルギーの必要性によって、上記2では特定の用途(圧縮など)でのエネルギーの必要性によって、上記3ではマイナス炭素発電所の大きさによって決定される。 It will be seen that the same design holds for the above three cases. The only change is the size of the combined heat and power plant. It is determined by the energy needs of the DAC in 1 above, by the energy needs of the particular application (compression, etc.) in 2 above, and by the size of the negative carbon power plant in 3 above.
また、排出量を削減しようとする世界では、純燃焼設備に煙突から排出される10%分のペナルティを課し、発生するマイナス炭素にクレジットを与えると主張することもできる。この場合、本実施形態は、気候変動の観点および経済性の観点の双方からも好ましい実施形態になり得る。本実施形態の処理では、純粋な煙道ガスは、少なくとも再生直前のCO2捕捉の最後のステーションで使用される。 It could also be argued that in a world trying to cut emissions, it would penalize net combustion installations by 10% of chimney emissions, giving a credit for the negative carbon produced. In this case, this embodiment can be a preferred embodiment both from the viewpoint of climate change and from the viewpoint of economy. In the process of this embodiment, pure flue gas is used at least at the last station of CO2 capture just before regeneration.
別の好ましい実施形態は、以前に前処理された、すなわち、部分的に捕捉された煙道ガスを含む供給を提供する。例えば、この煙道ガスは、最終または最後の捕捉構造体からの排気、すなわち、例えば、燃料燃焼発電所、セメント製造プラント、製鋼プラントなどの、大きなCO2含有排気を有する産業で長く使用されるタイプである従来のCO2除去システムからの排気である。このような煙道ガスに前処理を行うシステムは、石炭などの固体または石油などの液体の燃焼処理から排出される、微粒子または吸着剤に毒性のある非微粒子化合物が存在する可能性がある排ガスを扱う場合に特に重要である。 Another preferred embodiment provides a feed comprising previously pretreated, ie partially entrapped, flue gas. For example, this flue gas has long been used in industries with large CO2 - containing exhaust emissions from final or final capture structures, i.e. fuel-fired power plants, cement production plants, steel plants, etc. is the exhaust from a conventional CO2 removal system of the type. Such flue gas pretreatment systems are useful for flue gas emissions from the combustion process of solids such as coal or liquids such as petroleum, which may contain particulate or non-particulate compounds that are toxic to the sorbent. This is especially important when dealing with
このようなシステムでは、再生チャンバを加熱するための蒸気を生成するプラントが、この改良された発明に従って処理されるべき廃棄物を提供する。そのようなシステムは、例えば、吸着剤を再生するための蒸気を提供することを主目的とした単独のプラントを含む。第2の代替案は、電気発電所、セメント工場、製鉄所、および石油精製所などの別の生成物を主に伝熱併給するためにプラントを使用することである。好ましい例は、本発明のプラントから生成されたCO2から燃料を製造するための熱電併給発電所である。さらに好ましい例は、熱併給発電所が他の場所での販売または使用を目的とした燃料をCO2から生産することである。 In such a system, a plant that produces steam for heating the regeneration chamber provides waste to be treated according to this improved invention. Such systems include, for example, a single plant whose primary purpose is to provide steam for regenerating the adsorbent. A second alternative is to use the plant primarily for heat transfer co-production with another product such as electric power plants, cement plants, steel mills, and oil refineries. A preferred example is a combined heat and power plant for the production of fuel from the CO2 produced from the plant of the invention. A further preferred example is a cogeneration plant producing fuel from CO2 intended for sale or use elsewhere.
隣接するプラントが発電所である場合、その発電所の生成物は、熱電併給された、または余剰の蒸気および電気を含み、それらの少なくとも一部は、DACプラントの運転に必要な蒸気または電気を含む。そのような発電所からの燃焼廃棄物、すなわち、煙道ガスは少なくとも一部が浄化され、次いで、再生チャンバに入力される直前にその廃棄物がCO2捕捉の最終段階に供給される。さらに、上記のように、部分的にCO2が低減された廃棄物は、捕捉構造体の直前、すなわち8番目の位置で、単独でまたは周囲の空気と混合して使用され得る。当然ながら、10個の捕捉構造体と共に単一の再生チャンバが存在する場合、再生チャンバは10番目の段階であり、捕捉構造体が再生チャンバに入力する直前の捕捉構造体の段階は9番目の段階、その前の段階は8番目の段階であると理解されよう。システムに好適な構造体の例を、以下の図面および説明文に示す。 If the adjacent plant is a power plant, the products of that power plant include co-heated or surplus steam and electricity, at least a portion of which provide the steam or electricity required to operate the DAC plant. include. The combustion waste, i.e. flue gas, from such power plants is at least partially cleaned and then the waste is fed to the final stage of CO2 capture just before entering the regeneration chamber. Additionally, as described above, the partially CO2 -depleted waste can be used immediately before the capture structure, ie, at the eighth position, either alone or mixed with ambient air. Of course, if there is a single regeneration chamber with ten capture structures, the regeneration chamber is the tenth stage and the capture structure stage just before the capture structure enters the regeneration chamber is the ninth stage. The stage, and the stage before it, will be understood to be the eighth stage. Examples of structures suitable for the system are shown in the drawings and legend below.
別の好ましい実施形態は、CO2を捕捉するために事前に部分的に処理された煙道ガスを含むCO2含有供給を提供する。例えば、排ガスは、最終または最後の捕捉構造体からの排気、または、大量のCO2含有排気を有する産業で従来から使用されている従来のCO2除去システム(燃料燃焼発電所、セメント製造プラント、製鋼プラントなど)からの排気である。このような廃棄物の前処理を伴うシステムは、石炭などの固体、または石油などの液体の燃焼処理から排出される、微粒子、固体または液体の粒子、吸着剤に毒性のあるガスなどを含む排気を扱う場合に特に重要である。 Another preferred embodiment provides a CO2 - containing feed comprising flue gas that has been partially pretreated to capture CO2. For example, the flue gas may be the exhaust from a final or final capture structure, or conventional CO2 removal systems traditionally used in industries with large amounts of CO2 - containing exhaust (fuel-burning power plants, cement manufacturing plants, (e.g. steel plants). Systems with such waste pre-treatment may be used to control emissions from combustion processes of solids such as coal, or liquids such as petroleum, containing particulates, solid or liquid particles, gases toxic to adsorbents, etc. This is especially important when dealing with
さらなる好ましい実施形態は、プラントが、本発明のDAC+プラントから生成されたCO2から、他の場所での販売または使用を目的とした燃料を生産する状況である。 A further preferred embodiment is the situation where the plant produces fuel intended for sale or use elsewhere from the CO2 produced from the DAC+ plant of the present invention.
各捕捉構造体は、その表面上に二酸化炭素吸着部位、好ましくはアミン基、および最も好ましくは一級アミンの割合が高いアミン基を有する多孔質基材から形成される。捕捉構造体がトラックに沿って移動すると、各捕捉構造体が密閉された再生ボックスに到達するまで、移動するガス流からCO2を吸着する。本改良によれば、CO2捕捉構造体が再生ボックスに到達する数分前にループ内を移動している間に、周囲の空気の代わりに煙道ガスを各CO2捕捉構造体に通過させることで、処理をさらに改良することができる。 Each capture structure is formed from a porous substrate having carbon dioxide adsorption sites on its surface, preferably amine groups, and most preferably amine groups with a high proportion of primary amines. As the capture structures move along the track, each capture structure adsorbs CO2 from the moving gas stream until it reaches a closed regeneration box. According to this refinement, flue gas instead of ambient air is passed through each CO2 capture structure while it travels in the loop a few minutes before reaching the regeneration box. This can further improve the process.
しかしながら、上記で説明したように、本プロセス発明は、低温(好ましくは周囲~100℃)の半連続処理であり、処理の各フェーズで一方向の質量輸送を有する。この処理のさらなる新規の態様は、ガス混合物からCO2を捕捉する反応が、(アミノポリマー上の1つの好ましい実施形態では)再生可能材料で生じ、再生可能材料、例えば、アミノポリマー吸着剤が基材内に含浸される状態で生じることが好ましい。 However, as explained above, the present process invention is a low temperature (preferably ambient to 100° C.), semi-continuous process with unidirectional mass transport during each phase of the process. A further novel aspect of this process is that the reaction that captures CO2 from the gas mixture occurs on a renewable material (in one preferred embodiment on aminopolymers) and is based on renewable materials, such as aminopolymer adsorbents. It preferably occurs impregnated in the material.
吸着剤担持捕捉構造体は、好ましい実施形態では、以下により順次に支持されるモノリシック基材を含む。
1.CO2捕捉処理中に基材が移動する閉ループまたは開放式のラインに沿って基材を支持するフレームワーク。好ましい一実施形態において、基材がモノリスの孔内に含浸された吸着剤を有する多孔質モノリスを含み、
2.本発明の1つの好ましい実施形態における基材は、例えば、コージライト、ムライト、シリカ、アルミナ、チタニア、シリカメゾセルフォーム(MCF)、およびメソポーラス-γ-アルミナ、ならびにMCFまたは他のそのような材料の細孔全体に渡って被覆されたメソ多孔質-γ-アルミナからのセラミック材料、金属酸化物(例えば、単一または混合された他の金属のシリカ、アルミナ、チタニア、または多孔質酸化物)から形成することができ、CO2捕捉段階中または以下に記載される吸着剤の再生中に満足される条件下でそのモノリシック形状を維持することができるのに十分な構造体的強度および耐熱性を有する。熱条件が厳しくない場合は、多孔質ガラス繊維、硬質ポリマープラスチック、または押出、波形化、圧着、3D印刷、もしくは成形、または他の既知のまたは開発される手順によって所望の形状に形成され得る他の構造体的に強固な多孔質材料等の他の多孔質材料を使用してよい。
3.含浸吸着剤
a.最も一般的に使用される吸着剤はアミノポリマーである。
i.ポリエチレンイミン(PEI)は、以下の理由でその分野で働くほとんどの人が選ぶ吸着剤である。
1.低CO2濃度での高い活性、高いアミン密度、大規模な商業利用可能性。
2.しかし、それは高温での既知の酸化分解によって制限される。
ii.他のアミノポリマーは、様々な程度の一級、二級、および三級アミン、ならびに様々な骨格化学、分子量、分岐度、および添加剤を有する吸着剤として使用することができる。CO2吸着剤として有用な他の既知のポリアミンは、ポリプロピレンアミン、ポリグリコールアミン、ポリプロピレンアミン(ビニルアミン)、およびポリ(アリルアミン)、ならびにそれらの誘導体である。
iii.非アミノポリマー吸着剤は、有用な吸着剤として考慮すべきである。
1.金属有機フレームワーク、共有有機フレームワーク、POM、およびその他のそのような材料が有用である。
2.非重合性アミン吸着剤(「Ph-XX-YY」)、オリゴマー。
3.システムに対する改良は、高い安定性(捕捉剤)、活性(コポリマー)、接触性(PEG)、および当技術分野で既知である、または今後開発される多くの他のもののために吸着剤と組み合わせた非吸着性添加剤の使用によって達成され得る。
The sorbent-bearing capture structure, in preferred embodiments, comprises a monolithic substrate supported in turn by:
1. A framework that supports the substrate along a closed loop or open line along which the substrate travels during the CO2 capture process. In one preferred embodiment, the substrate comprises a porous monolith having an adsorbent impregnated within the pores of the monolith;
2. Substrates in one preferred embodiment of the present invention include, for example, cordierite, mullite, silica, alumina, titania, silica mesocellular foam (MCF), and mesoporous-γ-alumina, as well as MCF or other such materials ceramic materials from mesoporous-gamma-alumina, metal oxides (e.g. silica, alumina, titania, or porous oxides of other metals, single or mixed) coated throughout the pores of sufficient structural strength and thermal resistance to be able to maintain its monolithic shape under satisfactory conditions during the CO2 capture step or during regeneration of the adsorbent as described below. have Porous fiberglass, rigid polymeric plastics, or other materials that can be formed into desired shapes by extrusion, corrugating, crimping, 3D printing, or molding, or other known or developed procedures, if thermal conditions are less severe. Other porous materials may be used, such as structurally strong porous materials such as
3. Impregnated Adsorbent a. The most commonly used adsorbents are aminopolymers.
i. Polyethylenimine (PEI) is the adsorbent of choice for most people working in the field for the following reasons.
1. High activity at low CO2 concentration, high amine density, large scale commercial availability.
2. However, it is limited by known oxidative decomposition at high temperatures.
ii. Other amino polymers can be used as adsorbents with varying degrees of primary, secondary, and tertiary amines, and varying backbone chemistries, molecular weights, degrees of branching, and additives. Other known polyamines useful as CO2 adsorbents are polypropyleneamine, polyglycolamine, polypropyleneamine (vinylamine), and poly(allylamine), and their derivatives.
iii. Non-amino polymeric adsorbents should be considered as useful adsorbents.
1. Metal-organic frameworks, covalent organic frameworks, POMs, and other such materials are useful.
2. Non-Polymerizable Amine Adsorbents (“Ph-XX-YY”), Oligomers.
3. Improvements to the system have been combined with adsorbents for high stability (scavenging agents), activity (copolymers), accessibility (PEG), and many others known in the art or to be developed in the future. This can be achieved through the use of non-adsorptive additives.
活性吸着剤(例えば、3D印刷)から構築された接触器も使用され得ることが本発明により企図される。 It is contemplated by the present invention that contactors constructed from active adsorbents (eg, 3D printed) may also be used.
分析
一般に、DAC除去システム(「システム」)は、それぞれの基材が再生チャンバに入力する前に、CO2捕捉の最終段階に(好ましくは事前に処理された)煙道ガスを供給することによって、1DACサイクル当たりの煙道ガスから余分な成分FGCO2を捕捉する。これにより、追加のCO2(「FG CO2」)が捕捉される。これにより、最終段階での効率が向上し、システムの各サイクル中に捕捉されるCO2の量が増加する。最初に、1メートルトン当たりの設備投資は、(添加された煙道ガスのない)純粋なDACと比較して1/(1+FGCO2)だけ減少する。これは、周囲の空気と比較して、煙道ガス中のCO2濃度が増加したことに起因する。増加した濃度の効果は、吸着剤の種類によって異なる。また、各段階で煙道ガスのわずかな一部を含む空気を処理する場合、追加設備にかかる費用も回避できる。
Analysis In general, a DAC removal system (“system”) operates by feeding (preferably pre-treated) flue gas to the final stage of CO2 capture before each substrate enters the regeneration chamber. , captures the excess component FGCO 2 from the flue gas per DAC cycle. This captures additional CO 2 (“FG CO 2 ”). This improves efficiency in the final stages and increases the amount of CO2 captured during each cycle of the system. First, the capital investment per metric ton is reduced by 1/(1+FGCO 2 ) compared to a pure DAC (without added flue gas). This is due to the increased CO2 concentration in the flue gas compared to ambient air. The effect of increased concentration varies with adsorbent type. Also, the cost of additional equipment is avoided when treating air containing a small fraction of the flue gas at each stage.
熱電併給発電所が1年当たりM*(MMbtu)量の天然ガスを燃焼した場合、熱と電気のために生み出されたエネルギー量Mは、M=COGENE×M*で与えられ、煙道から出る一次エネルギー量はMF=(1-COGENE)×M*であり、そのエネルギーにはCO2が捕捉された場合の反応エネルギーと凝縮された場合の水のエネルギーは含まれず、COGENEは伝熱併給ユニットのエネルギー効率である。煙道ガスCO2の排出量、1年当たりのFT CO2は、FTCO2=0.056M*メートルトン/年である。 If a combined heat and power plant burns M*(MMbtu) amounts of natural gas per year, the amount of energy M produced for heat and electricity is given by M=COGENE*M* and exits the flue The primary energy content is MF = (1-COGENE) x M*, the energy of which does not include the reaction energy when CO2 is captured and the energy of water when it is condensed, and COGENE is the combined heat transfer unit energy efficiency. The flue gas CO2 emissions, FT CO2 per year, is FTCO2 = 0.056 M*metric tons/year.
捕捉ECFの効率で煙道ガスからそのCO2を捕捉した場合、1年当たりの煙道ガスからのCO2の捕捉量は以下となる。
FGCO2=ECF×FTCO2
1年当たりのFCCO2と捕捉された総空気CO2との比率DACCO2は、1サイクル当たりの比率と同一である。これは、DACユニットに対して、以下の場合の1年当たりのDACCO2メートルトンを捕捉することを意味する。
DACCO2=(l/FGCO2)×ECF×FTCO2
捕捉された総CO2(TCCCO2)は、以下から判定される。
TCCO2=(l/FGCO2+-l)×ECF×FTCO2.
CO2の放出量は(l-ECF)FTCO2である。プラント全体では、(1/FGCO2+1)×(ECF-1)FTCO2の量だけマイナス炭素となる。
If the CO2 is captured from the flue gas at the capture ECF efficiency, the amount of CO2 captured from the flue gas per year is:
FGCO2 = ECF x FTCO2
The ratio DACCO2 between FCCO2 and total air CO2 captured per year is the same as the ratio per cycle. For a DAC unit, this means capturing 2 metric tons of DACCO per year where:
DACCO2 = (l/ FGCO2 ) x ECF x FTCO2
Total CO 2 captured (TCCCO 2 ) is determined from:
TCCO 2 =(l/FGCO 2 +−l)×ECF×FTCO 2.
The amount of CO 2 emitted is (1-ECF)FTCO 2 . The entire plant will have minus carbon by the amount of (1/FGCO 2 +1)×(ECF−1)FTCO 2 .
ECF=0.9に対して(わずかな割合の煙道ガス(「キャブレター」)と混合された空気の場合は)、これは1.7FTCO2(FGCO2=.S)から-0.8FTCO2(FGCO2=1)まで変化する。これは、システムに流入するFGCO2の量が少ないほど、プラントのマイナス炭素が大きいことを意味するが、プラントのマイナス炭素が大きいほど、Capexの減少が少ないことを意味する。これは、捕捉される煙道ガスの割合が大きいほど設備投資が縮小するが、マイナス炭素が大きいほどプラント全体が縮小するという結果が予想される。 For an ECF=0.9 (for air mixed with a small percentage of flue gas (“carburetor”)), this is 1.7 FTCO 2 (FGCO 2 =.S) to −0.8 FTCO 2 (FGCO 2 =1). This means that less FGCO2 entering the system means more negative carbon in the plant, whereas more negative carbon in the plant means less Capex reduction. This is expected to result in a smaller capital investment for a larger percentage of flue gas captured, but a smaller overall plant for larger negative carbon.
熱電併給ユニットがDACユニットの熱および電気を提供するためだけの大きさに形成され、そのCO2がCO2除去システムを通って排出される場合であり、かつ、総エネルギー(熱および電気)が例えば1メートルトン当たり6MMbtuである場合には、プラントは(1~0.9×6×0.056)マイナス炭素または約0.7である。これは、明らかにFGCO2が1に等しい場合とよく一致する。しかし、純粋なDACの場合では、余分な電力は生成されない。その結果、CAPEXコストが高くなり、1メートルトン当たりのエネルギー消費量が増加する。そのため、例えば、CAPEXがより少なく、捕捉に使用するエネルギーがより少なく、よりマイナス炭素であるなど、この統合された実施形態は好ましくなる。 If the cogeneration unit is sized only to provide heat and electricity for the DAC unit, its CO2 is exhausted through the CO2 removal system, and the total energy (heat and electricity) is For example, at 6MMbtu per metric ton, the plant is (1-0.9 x 6 x 0.056) minus carbon or about 0.7. This clearly agrees well with the case where FGCO 2 equals 1. However, in the pure DAC case, no extra power is generated. This results in higher CAPEX costs and higher energy consumption per metric ton. So, for example, less CAPEX, less energy used for capture, more negative carbon, etc., this integrated embodiment is preferred.
次に評価すべきことは、必要とするエネルギーをどれだけ少なくし、それゆえ、どれだけ余分な電力を生産することができるかである。DACの生産量1メートルトン当たりに必要なエネルギーがMDACであり、1メートルトン当たりの煙道ガスを捕捉するために必要なエネルギーがMFGである場合(MFGに対して、煙道ガス成分に余分な顕熱成分はなく、CO2を遊離するための反応熱が減少すると仮定する)、1メートルトン当たりのCO2捕捉に必要な総エネルギーは以下のように求められる。
MT CO2=((1/FGCO2)×MDAC+MFG)/((1/FGCO2}+l}=(MDAC+FGCO2×MFG}/(l+FGCO2}
これにより、DACの場合と比較して、1メートルトン当たりのエネルギーが既に節約されている。
MDAC-MTCO2=(MDAC-J\;1FG}FGCO2/(l+FGCO2}=(SHA+ΔHR}×(FGCO2/(l+FGCO2}}
式中、SHAは全顕熱であり、ΔHRは煙道ガス成分の反応熱の減少分である。1メートルトン当たりの電力使用量も減少する。
The next thing to evaluate is how much less energy you need and therefore how much extra power you can produce. If MDAC is the energy required per metric ton of DAC production and MFG is the energy required to capture 1 metric ton of flue gas (for MFG, the excess of flue gas constituents is Assuming that there is no significant sensible heat component and the heat of reaction to liberate CO2 is reduced), the total energy required to capture CO2 per metric ton is given by:
MT CO2 = ((1/ FGCO2 ) x MDAC + MFG)/((1/ FGCO2 } + l} = (MDAC + FGCO2 x MFG}/(l + FGCO2 })
This already saves energy per metric ton compared to the DAC case.
MDAC−MTCO 2 =(MDAC−J\;1FG}FGCO 2 /(l+FGCO 2 }=(SHA+ΔHR}×(FGCO 2 /(l+FGCO 2 }})
where SHA is the total sensible heat and ΔHR is the reduction in the heat of reaction of the flue gas components. Electricity usage per metric ton is also reduced.
さらに、煙道ガスの熱を利用してSHAの1/2が提供されるようにアレイを予熱することができれば、0.5SHAのさらなる減少がある。なお、この熱は煙道ガス流から発生し、それゆえ通常は使用されないため、発電量を減少させることはなく、完全に廃熱である。 Moreover, if the heat of the flue gas can be used to preheat the array to provide half the SHA, there is a further reduction of 0.5 SHA. Note that this heat is generated from the flue gas stream and is therefore not normally used, so it does not reduce the production of electricity and is completely waste heat.
再生後にSHAを回収すれば、例えば米国特許9,925,488に記載されているように、2つの再生ボックスのシステムで行われているように、熱交換によって顕熱の3/4を回収できる可能性が原理的にあり得る。煙道ガスの熱で直接行うことは可能であるが、温度の上昇は捕捉された余分なCO2を減少させる可能性がある(ここでも容量と動力学との間にトレードオフが存在する)。用途によっては、伝熱併給ユニットへの水の予熱を含む低熱の使用があり得るが、非常に好ましい実施形態では、予熱が吸着の最終段階で行われるため、最良の結果は、再生をより速くすることであり得る。 If the SHA is recovered after regeneration, 3/4 of the sensible heat can be recovered by heat exchange, as is done in a system of two regeneration boxes, for example, as described in US Pat. No. 9,925,488. It is possible in principle. It is possible to do so directly with the heat of the flue gas, but increasing the temperature may reduce the excess CO2 captured (again there is a trade-off between capacity and kinetics) . Depending on the application, there may be the use of low heat, including preheating of the water to the combined heat transfer unit, but in a highly preferred embodiment, preheating occurs in the final stages of adsorption, so the best result is faster regeneration. can be
この点で、煙道ガス段階の設計には別の自由度があることに留意すべきである。すなわち、煙道ガス流の速度および濃度を選択して、生成物が排出される煙道ガスCO2の速度と一致するように一定に保つ。一般的に、低速はDACモノリスをより高いCPSIのように見せるため、高濃度および低速が望まれる。モノリスが100 CPSIを有し、毎秒5rnで0.7の減衰指数を有する場合、毎秒1mでは減衰指数は3.5となる。この実施形態のより一般的な別の特徴は、煙道ガス流からの捕捉効率を緩和することができるが、全体的な結果は依然としてマイナス炭素であるということである。各システムの最適な効率パラメータを決定するには、処理される煙道ガス成分の速度および濃度から経験的に決定される必要がある。 In this respect it should be noted that there is another degree of freedom in the design of the flue gas stage. That is, the velocity and concentration of the flue gas stream are selected and kept constant to match the velocity of the flue gas CO2 with which the products are discharged. In general, high concentrations and low speeds are desired because low speeds make the DAC monolith look like a higher CPSI. If the monolith has 100 CPSI and has a damping index of 0.7 at 5 rn/s, then at 1 m/s the damping index will be 3.5. Another more general feature of this embodiment is that although the capture efficiency from the flue gas stream can be moderated, the overall result is still negative carbon. Determining the optimum efficiency parameters for each system needs to be empirically determined from the velocities and concentrations of the flue gas components being treated.
したがって、残りの疑問点は、再生前に基材を予熱するのに必要な熱を提供するために、接触器を通過する煙道ガス流内に十分に使用可能な熱が存在するかどうかである。アレイを予熱するために必要な熱は、凝縮水によって生成される熱と、煙道ガス流から捕捉されるCO2の反応熱と、煙道ガス流の顕熱とによって以下のように提供され得る。
a.THF=煙道ガス中の総熱量=SHF+煙道ガス流中の水蒸気(HFCW)の凝縮熱+再生前の最後のステーションで回収されたCO2の1メートルトン当たりのCO2(HFRC)の反応熱
The remaining question, therefore, is whether there is sufficient available heat in the flue gas stream passing through the contactor to provide the necessary heat to preheat the substrate prior to regeneration. be. The heat required to preheat the array is provided by the heat produced by the condensed water, the heat of reaction of CO2 captured from the flue gas stream, and the sensible heat of the flue gas stream as follows: obtain.
a. THF = total heat in flue gas = SHF + heat of condensation of water vapor (HFCW) in flue gas stream + reaction of CO2 (HFRC) per metric ton of CO2 captured at last station before regeneration heat
十分な熱があるかどうかを非常に大雑把に見積もるためには、SHAがCO2の1メートルトン当たり2MM BTUであると仮定すると、全体的に必要な熱はCO2の1メートルトン当たりの燃焼時に放出されるエネルギーの約30%である6MM BTUであると仮定する。
a.CO2の捕捉は、回収された総CO2の最大1/2でしかなく、反応熱が低いため、あまり追加されないであろう。
b.SHF=回収されたCO2の1メートルトン当たりの煙道ガス中の顕熱=(1-COGENE)M*。COGENEの70%の範囲にある場合、30%が煙道を上がる。ここで、(200℃から50℃まで冷却することにより)その熱の1/4が利用可能であると仮定する。これは、必要なことの約1/2であり得る。
To give a very rough estimate of whether there is enough heat, assuming SHA is 2MM BTU per metric ton of CO2 , the overall heat required is: Assume a 6MM BTU that is about 30% of the energy emitted at one time.
a. CO2 capture is only up to ½ of the total CO2 recovered and will not add much due to the low heat of reaction.
b. SHF = sensible heat in flue gas per metric ton of CO2 captured = (1-COGENE)M*. When in the 70% range of COGENE, 30% goes up the flue. Now assume that 1/4 of that heat is available (by cooling from 200°C to 50°C). This can be about 1/2 of what is needed.
しかしながら、CO2捕捉段階の最後の段階に入力する煙道ガス内の利用可能な水蒸気からの潜在熱は、CO2捕捉ユニットが再生ボックスに入力する前に予熱するのに十分であろう。したがって、別の好ましい実施形態では、高温の煙道ガスは、入力煙道ガス流が最終温度、例えば60℃よりも高いデルタT(例えば70℃)になるように水を蒸発させることによって冷却することが可能である。しかし、煙道ガスの水蒸気含有量は高く、基材(「SA」)温度を60℃に上昇させるのに必要な潜熱量以上の水蒸気を含んでいた。この場合、予熱は90秒で行われることに留意されたい。速度は毎秒1mと仮定し、煙道ガスは一般的に少なくとも約10%の水を含有し、それは毎秒300cmで30秒間の純粋な蒸気の入力に相当する。これは明らかに過剰である。しかしながら、このようにして生成された過剰な水は、例えば、米国南西部やアフリカまたはアジアの砂漠地域のように、水が高価な砂漠地域などの場所で価値のある副産物となるであろう。SAが60℃で再生ボックスに入力すると、再生ボックスを大幅に冷却することなく、圧力を0.2barまで低下させることが可能である。実際には、圧力をさらに低下させることで、さらに冷却することができるが、水蒸気を使用して捕捉された煙道ガスを押し流すことができる。 However, the latent heat from available water vapor in the flue gas entering the last stage of the CO2 capture stage will be sufficient to preheat the CO2 capture unit before entering the regeneration box. Therefore, in another preferred embodiment, the hot flue gas is cooled by evaporating water so that the input flue gas stream has a delta T (e.g. 70°C) above the final temperature, e.g. 60°C. It is possible. However, the water vapor content of the flue gas was high, containing more than the amount of latent heat required to raise the substrate ("SA") temperature to 60°C. Note that in this case preheating is done in 90 seconds. Assuming a velocity of 1 m/s, the flue gas generally contains at least about 10% water, which corresponds to 30 seconds of pure steam input at 300 cm/s. This is clearly excessive. However, the excess water produced in this way would be a valuable by-product in places such as desert areas where water is expensive, for example in the southwestern United States or desert areas in Africa or Asia. If the SA enters the regeneration box at 60° C., it is possible to reduce the pressure to 0.2 bar without significantly cooling the regeneration box. In practice, lowering the pressure further may result in further cooling, but water vapor may be used to sweep away the trapped flue gas.
再生ボックス内で密封されると、吸着剤は、例えば、蒸気で加熱することによって処理され、吸着剤からCO2を除去させ、吸着剤を再生させる。取り出されたCO2はボックスから取り出され、捕捉される。次いで、再生された吸着剤を有する捕捉構造体は、密封されたボックスから移動し、次の捕捉構造体が再生ボックスに移動する位置に移動するまで、より多くのCO2を吸着するために他の捕捉構造体と共にトラックに沿って移動する。剥離/再生位置では、捕捉構造体は、トラックの勾配の上方または下方に設置されたボックス内に移動され得る、あるいは、捕捉構造体がトラックと同一の勾配水準でボックス内に移動し、捕捉構造体とシールを形成するようにボックスが設置され得る。これらのいくつかの代替案は、以下でさらに定義され、添付の図面で図示される。 Once sealed in the regeneration box, the adsorbent is treated, for example by heating with steam, to remove the CO2 from the adsorbent and regenerate the adsorbent. The extracted CO2 is taken out of the box and captured. The capture structure with regenerated sorbent is then moved out of the sealed box and moved to another position to adsorb more CO2 until the next capture structure moves into the regeneration box. capture structure along the track. In the strip/regenerate position, the capture structure can be moved into a box placed above or below the slope of the track, or the capture structure can be moved into the box at the same slope level as the track and the capture structure A box may be installed to form a seal with the body. Some of these alternatives are further defined below and illustrated in the accompanying drawings.
再生ボックスが勾配の下方または上方にある例では、システムが捕捉構造体を上昇または下降させるためのサブシステムを備えねばならない。再生ボックスがトラックの勾配上にあるシステムでは、側面に沿って、ならびに上面および/または底面に沿ってシールを設けるために満足する密封構成が必要である。 In instances where the regeneration box is below or above the gradient, the system must include a subsystem for raising or lowering the capture structure. A system where the recycle box is on the slope of the track requires a satisfactory sealing arrangement to provide seals along the sides and along the top and/or bottom.
CO2吸着および除去工程
この処理の大前提は、空気または空気および排ガスの混合物を、好ましくは常温またはそれに近い状態で吸着剤ベッドに通すことによって、大気からCO2を吸着させることである。CO2が吸着剤に吸着されると、CO2が回収され、吸着剤が再生される必要がある。後者のステップは、密封された格納ボックス内の蒸気で吸着剤を加熱してCO2を放出させ、かつ、吸着剤を再生させることによって行われ得る。CO2はボックスから回収され、次いで、吸着剤は再生ボックスから離れるときに大気からCO2を再び吸着するために利用可能である。
CO2 Adsorption and Removal Step The premise of this process is the adsorption of CO2 from the atmosphere by passing air or a mixture of air and tail gas through an adsorbent bed, preferably at or near ambient temperature. Once the CO2 is adsorbed on the adsorbent, the CO2 needs to be captured and the adsorbent regenerated. The latter step can be performed by heating the adsorbent with steam in a sealed containment box to release the CO2 and regenerate the adsorbent. CO2 is recovered from the box and the adsorbent is then available to re-adsorb CO2 from the atmosphere as it leaves the regeneration box.
ほとんどの市販の吸着剤は、一定以上の温度で空気に晒されると容易に分解され、したがって非活性化されることが周知である。したがって、多くの場合、基材上の吸着剤は捕捉構造体が再生ボックスを離れ、空気流に戻される前に冷却されなければならない。 It is well known that most commercially available adsorbents are readily decomposed and thus deactivated when exposed to air above a certain temperature. Therefore, in many cases the adsorbent on the substrate must be cooled before the capture structure leaves the regeneration box and is returned to the air stream.
本発明の処理の別の好ましい実施形態では、好ましくは、任意の粒子状固体または液体材料、および吸着剤に有毒な任意のガス材料を除去した後の精製形態の煙道ガスは、捕捉構造体が再生チャンバに入力する直前に捕捉構造体を通して流動される。この煙道ガス処理段階は閉められたチャンバ内で実施されることが好ましい。それにより、捕捉構造体内の多孔質基材の主要表面を通過する前に、前処理された煙道ガスが環境内に逃げることができない。 In another preferred embodiment of the process of the present invention, the flue gas, preferably in purified form after removal of any particulate solid or liquid material, and any gaseous material toxic to the adsorbent, is treated with a capture structure is flowed through the capture structure just prior to entering the regeneration chamber. This flue gas treatment step is preferably carried out in a closed chamber. Thereby, the pretreated flue gas cannot escape into the environment prior to passing through the major surface of the porous substrate within the capture structure.
一般に、周囲の空気からのCO2吸着に要する期間は、煙道ガスからの吸着時間よりも長く、そのCO2の濃度ははるかに高い。吸着剤の現在の生成では、この差は、CO2放出と吸着剤再生に必要な時間と比較して、周囲の空気を処理する場合、おおよそ10倍の吸着期間を必要とする。したがって、ポリエチレンイミン吸着剤の使用に基づいて、10個の捕捉構造体および単一の再生ユニットを有するシステムが、それぞれの回転システムの現在の基礎として採用されている。吸着剤の性能が時間の経過と共に向上する場合、吸着時間と脱着時間との比率、したがって、システムに必要な捕捉構造体の数が減少する可能性がある。 In general, the duration of CO2 adsorption from ambient air is longer than the adsorption time from flue gas, and the concentration of CO2 is much higher. In current production of sorbents, this difference requires roughly ten times the duration of adsorption when treating ambient air compared to the time required for CO 2 release and sorbent regeneration. Therefore, based on the use of polyethyleneimine sorbents, systems with 10 trapping structures and a single regeneration unit are taken as the current basis for each rotating system. If the performance of the adsorbent improves over time, the ratio of adsorption to desorption time, and thus the number of capture structures required for the system, may decrease.
特に、より添着量の多い吸着剤の実施形態が使用される場合、1時間の吸着時間が実行可能であり、それゆえ5つの捕捉構造体のみに対応するために1つの再生ボックスを必要とする。加えて、相対的な処理時間は、処理されたガス混合物中のCO2の濃度によって変化し、CO2含有量が高いほど、再生時間に対して吸着時間が短くなる。例えば、燃焼廃棄物(「煙道ガス」)をガス混合器、または「キャブレター」を通して周囲の空気と混合することによって、混合物は空気よりも著しく高いCO2濃度を有するが、純粋な煙道ガスよりも著しく低い濃度を有する。 Especially when higher loading sorbent embodiments are used, 1 hour adsorption times are feasible, thus requiring 1 regeneration box to accommodate only 5 capture structures. . In addition, the relative treatment times vary with the concentration of CO2 in the treated gas mixture, with higher CO2 contents resulting in shorter adsorption times relative to regeneration times. For example, by mixing combustion waste (“flue gas”) with ambient air through a gas mixer, or “carburetor,” the mixture will have a significantly higher CO2 concentration than air, but pure flue gas has a significantly lower concentration than
煙道ガスからCO2をより完全に、かつ、確実に除去するために、再生の直前の9番目の、すなわち、最終の段階からの廃棄物は、第2のチャンバ内に戻される。好ましくは、直前の段階、すなわち、捕捉構造体の吸着サイクルの第8段階に戻される。 In order to more completely and reliably remove CO2 from the flue gas, the waste from the ninth or final stage just before regeneration is returned into the second chamber. Preferably, the previous stage, ie the eighth stage of the adsorption cycle of the capture structure, is returned.
上記の実施形態の全てにおいて、本発明の処理は、低温(すなわち、周囲温度、100℃以下)バッチ処理のままであり、処理の各段階において一方向の質量輸送を有する。 In all of the above embodiments, the process of the present invention remains a low temperature (ie, ambient temperature, below 100° C.) batch process, with unidirectional mass transport at each stage of the process.
少なくとも吸着サイクルの最初の7段階および密封されたボックス内の再生サイクルの双方の間における、捕捉構造体内の化学的および物理的活動ならびに捕捉構造体および再生チャンバの機構は、米国特許第10,413,866号および第10,512,880号に記載されているものと実質的に同一である。これらの特許の開示は、本明細書に提示された新たな開示によって変更されるように、完全に繰り返されたかのように本明細書に参照として援用される。本発明によるシステムでは、各回転システムは、回転捕捉構造体の各群に対して1つの密封的な再生ボックスを設ける。捕捉構造体の数は、所望の吸着および所望の再生を達成するための相対時間に依存する。さらに、ある好ましい実施形態では、2つの回転捕捉構造体システムのための再生ボックスの相互作用が可能になるように、回転システムのうちの2つを適切な関係で空間的に関連付け、かつ、時間的に作動させることによって、より大きな効率とより低いコストが達成されることが見出された。各々が再生ボックスに入力する時間をオフセットさせることで、第1のボックスで再生が行われた結果、第2は第1の残りの熱で余熱されてその再生ボックスに入力する。これにより、再生された捕捉構造体を回転トラック上のその吸着サイクルに戻す前に効率よく冷却することもできる。 The chemical and physical activity within the trapping structure and the mechanism of the trapping structure and regeneration chamber during at least the first seven stages of the adsorption cycle and the regeneration cycle within the sealed box are described in U.S. Pat. No. 10,413. , 866 and 10,512,880. The disclosures of these patents are hereby incorporated by reference as if fully repeated, as modified by the new disclosures presented herein. In the system according to the invention, each rotating system provides one sealed regeneration box for each group of rotating capture structures. The number of capture structures depends on the relative time to achieve desired adsorption and desired regeneration. Furthermore, in certain preferred embodiments, two of the rotating systems are spatially related in a suitable relationship and temporally coupled to allow interaction of the regeneration boxes for the two rotating capture structure systems. It has been found that by operating systematically, greater efficiency and lower costs are achieved. By offsetting the time each enters the regeneration box, regeneration in the first box results in the second being preheated with the residual heat of the first and entering its regeneration box. This also allows for efficient cooling of the regenerated capture structure before returning it to its adsorption cycle on the rotating track.
再生ボックス間のこの相互作用は、本発明に従って、第1のボックスシステムの圧力を低下させることによって達成され、それにより、CO2の放出後に第1のボックスに残っている蒸気および水が蒸発し、システムがその低下した分圧で蒸気の飽和温度まで冷却する。さらに、以下に記載されるように、この処理で放出される熱は、第2の吸着剤捕捉構造体を予熱するために使用され、その結果、おおよそ50%の顕熱回収を実現し、エネルギーおよび水の使用に有益な影響を与える。この概念は、耐酸素性吸着剤が利用されていても利用することができる。酸素感受性の低い吸着剤をより高い温度で使用すると、性能が時間の経過と共に向上することになる。少なくとも再生ボックスの直前の最終段階、場合によってはその前の1つ以上の段階における煙道ガス直接注入の濃度が高いため、吸着剤に吸着されるCO2の濃度が高くなり、吸着反応の発熱性により、吸着剤および基材はより高温となることが理解されるであろう。これにより、周囲の空気のみの処理を扱う場合、またはわずかな割合の煙道ガスと混合させるときに、再生チャンバ内の圧力を必要に応じて真空まで低下させる必要性を回避することが可能になる。 This interaction between the regeneration boxes is achieved according to the invention by reducing the pressure of the first box system, so that the steam and water remaining in the first box after the release of CO2 evaporates. , the system cools to the saturation temperature of the vapor at its reduced partial pressure. Additionally, as described below, the heat released in this process is used to preheat the second sorbent capture structure, resulting in approximately 50% sensible heat recovery and energy and beneficially affect water use. This concept can be utilized even if oxygen-tolerant adsorbents are utilized. The use of less oxygen sensitive adsorbents at higher temperatures will result in improved performance over time. The high concentration of direct flue gas injection in at least the final stage immediately before the regeneration box, and possibly in one or more stages before it, leads to a high concentration of CO2 adsorbed on the adsorbent and an exothermic heat of the adsorption reaction. It will be appreciated that the adsorbent and substrate will be hotter depending on the nature. This makes it possible to avoid the need to optionally reduce the pressure in the regeneration chamber to vacuum when dealing with ambient air only processing or mixing with a small percentage of flue gas. Become.
先の特許で論じたように、空気中の酸素による非活性化を回避するように、吸着剤捕捉構造体は空気に晒す前に冷却されることが好ましい。米国特許出願第14/063,850号に記載されているように、ポリアミンの中で、ポリ(アリルアミン)およびポリ(ビニルアミン)などの熱分解に対するより大きな耐性を有する吸着剤およびそれらの誘導体を利用することができる。必要に応じて、再生ボックス内のシステム圧力を低下させて蒸気飽和温度を低下させることにより、冷却を達成することができる。これは、システムの温度を低下させるため、吸着剤非活性化問題を排除するのに効果的であることが示されている。その結果、脱圧ステップ中に冷却される第1の捕捉構造体からかなりの量のエネルギーが除去される。CO2吸着段階を終えたCO2含有基材が第2の再生ボックスに入力する毎に、CO2を放出して吸着剤を再生させるために加熱される必要がある。この熱は、再生ボックスに供給される大気圧蒸気のみによって供給することができるが、これは余分な運転コストとなる。この運転コストを最小限に抑えるために、2ベッドの設計コンセプトが開発された。このコンセプトでは、米国特許第10,512,880号に記載されているように、第1の再生ボックス内のシステム圧力(したがって、蒸気飽和温度)を低下させることによって冷却されている第1の再生ボックスから除去される熱を、第2の再生ボックス内で再生されるCO2含有基材の少なくとも部分的な予熱に使用する。したがって、蒸気使用量は、第1のボックスの冷却からの熱を使用して第2のボックスの温度を増加させることによって低減される。第2のボックスの残りの熱負荷は、好ましくは大気圧で蒸気を追加することによって達成される。この処理を、2つの再生ボックスに出入りする他の回転捕捉構造体について繰り返すことで、システムの熱効率を大幅に向上させる。 As discussed in previous patents, the adsorbent capture structure is preferably cooled prior to exposure to air to avoid deactivation by oxygen in the air. Utilizing adsorbents and their derivatives with greater resistance to thermal decomposition, such as poly(allylamine) and poly(vinylamine) among polyamines, as described in US patent application Ser. No. 14/063,850 can do. Cooling can be achieved, if desired, by lowering the system pressure in the regeneration box to lower the vapor saturation temperature. This has been shown to be effective in eliminating the adsorbent deactivation problem as it lowers the temperature of the system. As a result, a significant amount of energy is removed from the first capture structure that is cooled during the depressurization step. Each time the CO2 -bearing substrate that has completed the CO2 adsorption stage enters the second regeneration box, it needs to be heated to release the CO2 and regenerate the adsorbent. This heat can be supplied solely by atmospheric pressure steam supplied to the regeneration box, but this is an extra operating cost. To minimize this operating cost, a two-bed design concept was developed. In this concept, the first regeneration box being cooled by lowering the system pressure (and thus the vapor saturation temperature) in the first regeneration box, as described in US Pat. No. 10,512,880. The heat removed from the box is used for at least partial preheating of the CO2 - containing substrate to be regenerated in the second regeneration box. Thus, steam usage is reduced by using heat from cooling the first box to increase the temperature of the second box. The remaining heat load of the second box is accomplished by adding steam, preferably at atmospheric pressure. This process is repeated for other rotating capture structures entering and exiting the two regeneration boxes, greatly improving the thermal efficiency of the system.
上記のいくつかの頭字語は以下のように定義され得る。
FG-CO2=煙道ガスである1サイクル当たりの捕捉された空気CO2捕捉に対するCO2の割合
DA. CO2=1サイクル当たりの捕捉される空気CO2の量
FGCAPEX=純粋なキャブレターの実施形態における煙道ガスの運用経費、すなわち、周囲の空気と煙道ガスとの混合物が各捕捉構造体に供給される場合、M*=MMBTuで燃焼される総天然ガス
M=使用可能な熱と生成された電気
COGENE=熱電併給効率=M/M*
FGCCO2=1年当たりの捕捉される煙道ガスCO2
DACCO2=1年当たりの捕捉される空気CO2
FTCO2==燃焼するJ\11*天然ガスで生成される総煙道ガスCO2
MTCO2=1年当たりの捕捉される捕捉された総CO2=1年当たりの捕捉される煙道ガスと空気とからの総CO2
ECF=煙道ガスの捕捉の効率
MDAC=捕捉された空気CO2の1メートルトン当たりのエネルギー
MFG=捕捉した煙道ガスCO2の1メートルトン当たりのエネルギー
SHA=モノリスアレイの顕熱
デルタHR=DAC CO2部位と煙道ガスCO2部位との反応熱の差
THF=煙道ガス蒸気中の全熱源-顕熱+CO2反応熱+水凝縮熱-(天然ガスの熱値は一定ではないことに留意されたい)
Some acronyms above may be defined as follows.
FG- CO2 = ratio of CO2 to trapped air CO2 capture per cycle which is flue gas DA. CO2 = amount of air CO2 captured per cycle FGCAPEX = pure carb run Flue gas operating costs in the form, i.e., if a mixture of ambient air and flue gas is supplied to each capture structure, M* = total natural gas burned in MMBTu M = available heat and Electricity generated COGENE = combined heat and power efficiency = M/M*
FGCCO2 = flue gas CO2 captured per year
DACCO2 = air CO2 captured per year
FTCO 2 == total flue gas CO 2 produced with J\11* natural gas burned
MTCO2 = total CO2 captured per year = total CO2 from flue gas and air captured per year
ECF = efficiency of flue gas capture MDAC = energy per metric ton of trapped air CO2 MFG = energy per metric ton of trapped flue gas CO2 SHA = sensible heat of the monolith array delta HR = Difference in heat of reaction between DAC CO 2 site and flue gas CO 2 site THF = total heat source in flue gas steam - sensible heat + CO 2 reaction heat + water condensation heat - (Natural gas heat value is not constant please note)
本発明のこれらおよび他の特徴は、以下の詳細な説明および添付の図面に記載されているか、またはそれらから明らかである。 These and other features of the present invention are set forth in, or are apparent from, the following detailed description and accompanying drawings.
本発明の本実施形態のより詳細な説明
上述のこれらの動作を実行するシステムの設計の簡略化された描写が、図1~6に示されている。必要とされる操作および補助機器の詳細な説明は、以下に記載されており、共通の米国特許第10,413,866号および第10,512,880号に示されているものと同様である。
More Detailed Description of the Present Embodiment of the Invention A simplified depiction of the design of a system that performs these operations described above is shown in FIGS. 1-6. A detailed description of the maneuvers and ancillary equipment required are described below and are similar to those shown in common U.S. Pat. Nos. 10,413,866 and 10,512,880. .
この実施形態では、10個の「捕捉構造体」が存在する。捕捉構造体は十角形構成に設置され、実質的に円形または弧状のトラック上に設置されることが好ましいが、その限りではない。各処理ユニットに関連付けられた2つの実質的に円形(または卵形)/十角形アセンブリが存在し、それらは示されるように相互作用する。この好ましい実施形態では、捕捉構造体の内側に設置された誘導式通風ファンによって空気が捕捉構造体を通過される。1つの場所では、捕捉構造体は、処理のために、トラックに沿って移動するときに、各捕捉構造体が挿入される単一の密封的なチャンバボックスに隣接する位置にある。密封的な再生チャンバボックス内で、それらは130℃以下、より好ましくは120℃以下、最適には100℃以下の温度に、好ましくは処理熱蒸気で加熱され、吸着剤からCO2を放出して吸着剤を再生させる。代替的に、再生チャンバは、勾配の上方または下方であることができる。この実施形態において、捕捉構造体によるCO2の吸着時間は、吸着剤再生時間の10倍長くなることが好ましい。 In this embodiment, there are ten "capture structures". The capture structures are preferably, but not exclusively, placed in a decagonal configuration and placed on substantially circular or arcuate tracks. There are two substantially circular (or oval)/decagonal assemblies associated with each processing unit and they interact as shown. In this preferred embodiment, air is forced through the capture structure by an induced draft fan located inside the capture structure. At one location, the capture structures are located adjacent to a single sealed chamber box into which each capture structure is inserted as it moves along the track for processing. In a closed regeneration chamber box they are heated to a temperature below 130°C, more preferably below 120°C, optimally below 100°C, preferably with treated hot steam, releasing CO2 from the adsorbent. Regenerate the adsorbent. Alternatively, the regeneration chamber can be above or below the gradient. In this embodiment, the CO2 adsorption time by the capture structure is preferably ten times longer than the adsorbent regeneration time.
捕捉構造体において多孔質モノリシック基材を使用することが好ましいが、可能であれば、捕捉構造体上のフレーム内に支持される多孔質粒子、すなわち、粒状材料の静止ベッドを使用してよいことを理解されたい。いずれの場合も、粒子捕捉構造体が吸着剤を担持するためのモノリス捕捉構造体と同一孔体積を有する場合、多孔質基材はCO2用のアミン吸着剤を担持することが好ましい。 While it is preferred to use a porous monolithic substrate in the capture structure, it is possible to use porous particles, i.e. a stationary bed of particulate material, supported within a frame on the capture structure. Please understand. In either case, the porous substrate preferably supports an amine sorbent for CO2 when the particle capture structure has the same pore volume as the monolithic capture structure for supporting the sorbent.
概略図は、本発明に係るシステムの基本的な動作概念を図式化して示している。各々が十角形アセンブリ構成に設置され、円形トラック31、33上で移動可能に支持された10個の「捕捉構造体」21、22が存在する。各処理ユニットに関連付けられた2つの円形/十角形アセンブリであるA、Bが存在し、それらは相互に作用する。空気または煙道ガスは、十角形アセンブリの各々の半径方向内側に設置された誘導通風ファン23、26によって捕捉構造体21、22の各々を通過し、各捕捉構造体の内周面からシステムから離れる方向に排気ガスのフローを誘発する。トラック31、33に沿った1つの位置で、捕捉構造体21、22は、密封的な再生ボックス25、27に隣接しており、捕捉構造体22、22は、トラックの周りの1つの回転を完了した後、再生処理のためにその中に挿入される。
The schematic diagram illustrates the basic operating concept of the system according to the invention. There are ten "capturing structures" 21,22 each mounted in a decagonal assembly configuration and movably supported on
したがって、図1および2に示されるように、第1の捕捉構造体21は、処理のために再生ボックス25内の位置まで回転される。それは、勾配上の再生ボックス25のためである。捕捉構造体が再生ボックス25内の位置にあるとき、トラックに沿った移動は、捕捉構造体のすべてに対して停止される。代替的に、トラックの直径および捕捉構造体を大きくすることによって、かつ、再生ボックスおよび任意の煙道ガス吸着ハウジング(121、221、122、222)上に適切な密封システムを有することによって、継続的な移動が可能となる。捕捉構造体21,22が再生されて、捕捉構造体のすべてが移動するとき、図1に示すように、再生された捕捉構造体は再生ボックス25,27から移動され、それにより、次の捕捉構造体21,22が煙道ガスを処理した後に移動され得る。この処理は実質的に継続的に繰り返される。図面に示される好ましい実施形態では、各トラック上の捕捉構造体の1つ以上は、煙道ガス吸着ハウジング(121、221、122、222)から移動する。そのタイミングは煙道ガス脱着のタイミングと一致することが好ましい。代替的に、捕捉構造体が再生ボックスおよび1つ以上の煙道ガス吸着ハウジング(121、221、122、222)に入力する毎に、捕捉構造体の移動は停止され得る。次いで、脱着および煙道ガス吸着が完了すると、移動が再開される。
Thus, as shown in Figures 1 and 2, the
しかしながら、上記で説明したように、本プロセス発明は、低温(好ましくは周囲~100℃)の半連続処理であり、処理の各フェーズで一方向の質量輸送を有する。この処理のさらなる新規の態様では、ガス混合物からCO2を捕捉する反応が、(アミノポリマー上の1つの好ましい実施形態では)再生可能材料で生じ、再生可能材料、例えば、アミノポリマー吸着剤が多孔質基材内に含浸されている状態で生じることが好ましい。 However, as explained above, the present process invention is a low temperature (preferably ambient to 100° C.), semi-continuous process with unidirectional mass transport during each phase of the process. In a further novel aspect of this process, the reaction that captures CO2 from the gas mixture takes place on a renewable material (in one preferred embodiment on aminopolymers) and the renewable material, e.g. It preferably occurs impregnated within the base material.
好ましい実施形態では、吸着剤担持捕捉構造体は、各捕捉構造体を形成するためのフレームワークによって順に支持されるモノリシック基材を含む。 In preferred embodiments, the sorbent-bearing capture structures comprise a monolithic substrate that is in turn supported by a framework to form each capture structure.
2つの十角形リングアセンブリは相互に動作するが、各十角形リングのための捕捉構造体は、以下に説明するように、わずかに異なる時間にそれらの脱着/再生ボックスの内外に移動される。これにより、例えばボックス25での再生が完了したときに、例えば、ボックス25とボックス27との間で熱を通過させて他方のボックス、例えば再生ボックス27に予熱を与えることが可能となる。これにより、再生開始時の熱を節約し、再生後の捕捉構造体の冷却コストを削減する。
Although the two decagon ring assemblies are interoperable, the capture structures for each decagon ring are moved in and out of their desorption/regeneration boxes at slightly different times, as described below. This makes it possible, for example, to pass heat between the
再生ボックス25,27の設置場所は、連続した動きを許容しない、回転する捕捉構造体の上方または下方、あるいは勾配水準の3カ所が利用可能である。米国特許第10,413,866号および同第10,512,880号を参照されたい。
Three locations are available for the
再生チャンバ32l、327は、回転捕捉構造体アセンブリの勾配上に設置される。ボックスは、保守および処理配管のための適切なアクセス性を備えて、同様に勾配上に設置されている。好適な相互の密封面は、ボックス上および各捕捉構造体上に設置され、それにより、捕捉構造体がボックス内の位置に移動すると、移動が上昇している再生ボックス内への上向きであるか、または、勾配よりも低い再生ボックス内への下向きであるか、あるいは、勾配上の再生ボックスへの直進であるかどうかに関わらずに、ボックス322、327は密封される。煙道ガス吸着ハウジング(121、221、122、222)が勾配上あるいは勾配より下方または上方であり得る実施形態でも同様である。また、煙道ガスまたは部分的に洗浄された煙道ガスを捕捉構造体内に供給するために、トラックに沿った直前の位置のためのオプションの閉鎖チャンバも存在する。
すべての場合において、補助機器(ポンプ、制御システムなど)は、回転捕捉構造体アセンブリ29を支持するトラックの円周内または外側の勾配に設置されることが好ましい。 In all cases, the ancillary equipment (pumps, control systems, etc.) is preferably installed on the slope inside or outside the circumference of the track supporting the rotating capture structure assembly 29 .
再生ボックスおよびハウジングは、本発明の概念または範囲から逸脱することなく、特定の状況において異なる水準で設置され得る。 The regeneration box and housing may be installed at different levels in particular situations without departing from the concept or scope of the present invention.
本発明の範囲内にある代替の設計は、一対の再生ボックスであるチャンバ25がトラックに沿って移動することができるシステムを提供する。これは、再生ボックス25が広範囲に分離されないように、トラック設計が直線トラックに沿った捕捉構造体による往復運動が可能である場合に最適である。従来技術における既存の開示された装置と比較して、これは以下の通りである。
構造体用鋼材を最小限に抑える。
格納容器としてのみ機能する再生ボックスを除き、すべての主要機器を勾配水準で配置する。
ボックスがトラックと異なる水準にある場合、捕捉構造体への空気のフローを確実に干渉させない。
捕捉構造体のすべてを回転させて、それらを再生ボックス内に移動させる、より大きなマルチユニットシステムの移動を防止する。
効率を高めるために望ましい熱交換を許容にするために、2つの再生ボックスを最小限の間隙で隣接させることが可能となる。
An alternative design within the scope of the present invention provides a system in which a pair of regeneration boxes,
Minimize structural steel.
Locate all major equipment at grade level, except for the regeneration box, which serves only as a containment vessel.
Ensure that if the box is at a different level than the track, it does not interfere with the air flow to the capture structure.
Rotate all of the capture structures to prevent movement of the larger multi-unit system moving them into the regeneration box.
It allows the two regeneration boxes to be adjacent with a minimal gap to allow for the desired heat exchange for increased efficiency.
必要な機械および動力を備えた機械的動作には、以下が含まれる。
支持構造体上の実質的に円形のトラックの周りに2セットの捕捉構造体アセンブリを回転させ、捕捉構造体が停止される位置まで構成要素を正確に位置決めして、捕捉構造体を再生ボックスおよび任意の煙道ガス吸着ハウジングの内外へ確実に、かつ自由に移動させる。
捕捉構造体または基材のみを取り外し、捕捉構造体を再生ボックスへ挿入し、捕捉構造体を再生ボックスから取り外し、捕捉構造体をトラックアセンブリ上のその位置に再挿入する。これらの移動のすべては垂直方向に、または代替的にトラック上の水平回転運動の一部として生じる。捕捉構造体および再生ボックスは、垂直に移動可能な捕捉構造体に対して、捕捉構造体の各々の上部または下部とボックスの支持構造体との間に実質的に気密シールが存在するように設計される。このような再生ボックスまたは煙道ガス吸着ハウジングの勾配に対して、シールが側面ならびに上面および底面にあり得る。あるいは、捕捉構造体が再生ボックスまたは煙道ガス吸着ハウジング内に移動するときに閉じる密封ドアが存在し得る。そのようなシールのいくつかの概念設計の例は、以前に発行された米国Eisenbergerの特許および本出願の図10に示されている。
Mechanical actions with the necessary machinery and power include:
Rotating the two sets of capture structure assemblies about substantially circular tracks on the support structure and precisely positioning the components to positions where the capture structures are stopped, the capture structures are placed in the regeneration box and Securely and freely moves in and out of any flue gas adsorption housing.
The capture structure or substrate alone is removed, the capture structure is inserted into the regeneration box, the capture structure is removed from the regeneration box, and the capture structure is reinserted in its position on the track assembly. All of these movements occur vertically or alternatively as part of a horizontal rotational movement on the track. The capture structure and regeneration box are designed such that for vertically movable capture structures there is a substantially airtight seal between the top or bottom of each of the capture structures and the support structure of the box. be done. Seals can be on the sides as well as on the top and bottom for slopes of such regeneration boxes or flue gas adsorption housings. Alternatively, there may be a sealed door that closes when the capture structure moves into the regeneration box or flue gas adsorption housing. Examples of several conceptual designs of such seals are shown in the previously issued US Eisenberger patent and FIG. 10 of this application.
1つの好ましい実施形態の全ての場合において、図1~9を参照すると、捕捉構造体21-1(リングA)は、所定の位置に回転され、次いで、処理のために再生または脱着、ボックス25に移動される。(捕捉構造体21-1、リングAを収容する)脱着ボックス25内の圧力は、例えば、真空ポンプ230を使用して、0.2バール未満に低下される。ボックス25は、ライン235を介して大気圧で蒸気を用いて加熱される。捕捉構造体21-1からCO2が生成され、コンデンサ240上で分離されるCO2および凝縮液のためのボックス25から出口配管237を介して除去される(図SA)。次いで、上記(図5B)のように、ボックス25が処理されている間に捕捉構造体22-1(リングB)がボックス27(リングB)に配置される。ボックス25への蒸気供給が停止され、CO2および凝縮液の出口配管が分離される。ボックス25およびボックス27は、接続配管125(図SC)内の弁126を開放することによって接続される。
In all cases of one preferred embodiment, referring to FIGS. 1-9, the capture structure 21-1 (Ring A) is rotated into position and then regenerated or detached for processing,
ボックス27内の圧力は、ボックス27に関連付けられた真空ポンプ330を使用して低下される。これにより、双方のボックス内のシステム圧力を低下させ、ボックス25に残存する蒸気および不活性要素がボックス27を通して引き出され、次いで真空ポンプに引き出される。これにより、ボックス25(および、それゆえ捕捉構造体21-1、リングA)をより低い温度(すなわち、ボックス内の蒸気の分圧における飽和温度)に冷却して、捕捉構造体21-1が空気流に戻されて配置されるときの吸着剤の酸素非活性化の可能性を低減する。この処理はまた、ボックス27(および、それゆえ捕捉構造体22-1、リングB)を、ボックス250内の蒸気の分圧で周囲温度から飽和温度まで予熱する。したがって、エネルギーが回収され、第2のボックス27(捕捉構造体22-1リングB)を加熱するのに必要な大気圧蒸気の量が低減される(図SD)。真空ポンプ330がボックス25および27内の圧力を低下させると、第1のボックス25の温度が(おおよそ100℃からある程度の中間温度まで)低下し、第2のボックス27の温度が(周囲の温度から同一の中間温度まで)上昇する。CO2および不活性ガスは、真空ポンプ330によってシステムから除去される。
The pressure within
第1のボックス25と第2のボックス27との間の弁が閉じられて、ボックスは相互に分離される。捕捉構造体21-1リングAは、捕捉構造体が空気流中に戻されて配置されるときに、吸着剤の酸素非活性化が懸念される温度よりも低い温度まで冷却される。第2のボックス27および捕捉構造体22-1、リングBは予熱されているため、ボックスおよび捕捉構造体を加熱するために必要な蒸気の量が減少する(図5E)。次いで、捕捉構造体21-1リングAが捕捉構造体アセンブリ内に移動される。リングA捕捉構造体アセンブリは、1つの捕捉構造体によって回転され、次いで、捕捉構造体21-2リングAは、予熱の準備ができているボックス25に挿入される。ボックス27は大気蒸気で加熱され、剥離されたCO2が回収される(図5F)。
A valve between the
(捕捉構造体22-1リングBを収容する)第2のボックス27が完全に再生されたとき、ボックスBへの蒸気供給は分離され、CO2および凝縮液の配管は弁241、242を使用して分離される。第1のボックス25と第2のボックス27との間の弁126が開放され、ボックス25、27内の圧力は、ボックス25のための真空ポンプ230システムを使用して低下される。第2のボックス27(それゆえ捕捉構造体22-1、リングB)の温度は低下する(上記5参照)。(捕捉構造体21-2、リングAを収容する)第1のボックス25の温度が上昇する(上記5を参照)(図5G)。真空ポンプ230は、ボックス25、27内の圧力を低下させる。ボックス25の温度が(おおよそ100℃からある中間温度まで)低下する。ボックス27の温度が(周囲温度から同一中間温度まで)上昇する。CO2および不活性ガスは、真空ポンプ230によってシステムから除去される。捕捉構造体22-1、リングBは、リングアセンブリ内に戻され、アセンブリは1つのベッドを回転させる。次いで、捕捉構造体22-2、リングBがボックス27に挿入される。(捕捉構造体21-2リングAを収容する)ボックス25を大気蒸気で加熱して、CO2を放出させて吸着剤を再生する(図5H)。次に、ボックス27の予熱が上述のように行われる。十角形は何度も回転するため、すべてのベッドでこの処理が繰り返される。
When the second box 27 (which houses the capture structure 22-1 ring B) is fully regenerated, the steam supply to box B is isolated and the CO2 and condensate lines are connected using
双方のリングが再生ボックスへ入力する直前に一対の煙道ガス吸着ハウジングを備える、図8に示される好ましい実施形態を扱う場合、好ましくは前処理された煙道ガスの供給が提供される。例えば、再生ボックスの直前の第9の吸着段階には、通常約10~15%のCO2を有する前処理された煙道ガス、または前処理された煙道ガスと周囲の空気との混合物のいずれかが供給される。その段階からの排気は、例えば、2~8%のCO2を含有することができる。好ましくは、上限範囲のCO2が排出されるとき、最も好ましくは、排ガスが直前の脱着段階のハウジングに通してさらに吸着され、排ガスを大気中に排出するのに適した程度に低減させる。 When dealing with the preferred embodiment shown in Figure 8, in which both rings comprise a pair of flue gas adsorption housings just before entering the regeneration box, a supply of pretreated flue gas is preferably provided. For example, the ninth adsorption stage immediately prior to the regeneration box contains pretreated flue gas, or a mixture of pretreated flue gas and ambient air, typically having about 10-15% CO 2 . either supplied. The exhaust from that stage can contain, for example, 2-8% CO 2 . Preferably, when the upper range of CO2 is vented, most preferably the exhaust gas is further adsorbed through the housing of the immediately preceding desorption stage to reduce the exhaust gas to a suitable level for venting to the atmosphere.
好ましい設計パラメータ
システム設計のための現行の好ましい基本原理は以下のとおりである。
移動させる捕捉構造体のそれぞれの重量:
1,500~10,000lbs.(支持構造体を含む)
ベッドのおおよそのサイズ:幅:5~6メートル
高さ:9~10メートル
深さ:0.15~1メートル
Preferred Design Parameters The current preferred basic principles for system design are as follows.
Weight of each captured structure to move:
1,500-10,000lbs. (including support structure)
Approximate bed size: Width: 5-6 meters Height: 9-10 meters Depth: 0.15-1 meter
捕捉構造体の大きさは、システムの各対の地理的位置における特定の条件および所望の、すなわち達成可能な処理パラメータに応じて調整され得ることに留意されたい。 It should be noted that the size of the capture structures may be adjusted depending on the specific conditions and desired or achievable processing parameters at each pair of geographic locations in the system.
十角形リングの各々に10個の捕捉構造体を備えるシステムに対して、好ましい円形/十角形構造体の外系の大きさは、約15~17メートル、好ましくは約16.5メートルである。捕捉構造体支持構造体は、例えば、電気モータおよび駆動輪によってトラックに沿って個別に駆動されてもよい。あるいは、支持構造体は、トラックに沿った特定の位置、ならびにトラックおよび閉ループの周囲のすべての構造体を駆動するために使用される単一の大きなモータに固定されてもよい。いずれの場合も、再生ボックスは1つの場所に配置され、支持構造体の1つが再生ボックス内に移動されるように設置されたときに、構造体のすべてがそれらの移動を停止することができる。単一の駆動モータまたはエンジン、あるいは複数の駆動モータまたはエンジンの経済性は、場所および駆動が電気モータによって達成されるか、またはいくつかの燃料駆動エンジンによって達成されるかなどの多くの要因に依存する。駆動ユニットの性質自体は、本発明の主要な特徴ではなく、多くは当業者に周知である。適切なエンジンの例は、例えばスターリングエンジンサイクルを使用して動作する内燃または外燃機関あるいはガス圧駆動エンジン、処理蒸気機関、あるいは、油圧または空気圧機関を含む。 For a system with 10 capture structures in each decagonal ring, the preferred outer system size of circular/decagonal structures is about 15-17 meters, preferably about 16.5 meters. The capture structure support structures may be driven individually along the track by, for example, electric motors and drive wheels. Alternatively, the support structure may be fixed to a single large motor that is used to drive specific locations along the track and all structures around the track and closed loop. In either case, the play box is placed in one location and all of the structures can stop their movement when one of the support structures is placed to be moved into the play box. . The economics of a single drive motor or engine, or multiple drive motors or engines, depends on many factors such as location and whether the drive is accomplished by an electric motor or by several fuel-driven engines. Dependent. The nature of the drive unit per se is not a primary feature of the invention and many are well known to those skilled in the art. Examples of suitable engines include, for example, internal or external combustion or gas pressure driven engines, process steam engines, or hydraulic or pneumatic engines operating using the Stirling engine cycle.
再生ボックスがトラック水準の上方に設置されている場合、上部はトラック水準の約20メートル上方にある。再生ボックスがトラックの勾配の下方に設置されている場合、ボックスの上部はトラックの勾配のすぐ下方にある。勾配上のボックスは、再生中にボックス内の捕捉構造体を完全に収容するために、捕捉構造体の上部より最小限の高さで配置される。 If the regeneration box is installed above track level, the top is approximately 20 meters above track level. If the regeneration box is installed below the slope of the track, the top of the box is just below the slope of the track. The box on the gradient is placed at a minimum height above the top of the trapping structure in order to completely contain the trapping structure within the box during regeneration.
再生ボックスが勾配上にない場合、捕捉構造体を再生ボックスの内外に移動させるための昇降システムは、30秒~i20秒、好ましくは30秒~45秒の範囲内の期間中にボックスの内外への移動を達成することができるはずである。期間が短いほど、処理パラメータの柔軟性が向上する。大規模な捕捉構造体を移動させるには、ある種の固有の力学的制限があることが認識される。再生ボックスが勾配上にある場合の1つの利点は、垂直方向の移動が不要なことである。捕捉構造体は回転運動の一部としてボックス内に回転して密閉するだけなので、垂直方向の移動、時間の損失、エレベータの追加資本コストを避けられる。いずれの場合も、捕捉構造体の2つのエッジが固体であり、再生ボックスのエッジとシールを形成する。 If the regeneration box is not on an incline, the lift system for moving the capture structure into and out of the regeneration box will move in and out of the box during a period within the range of 30 seconds to i20 seconds, preferably 30 seconds to 45 seconds. should be able to achieve a transfer of Shorter periods allow greater flexibility in processing parameters. It is recognized that moving large capture structures has certain inherent mechanical limitations. One advantage of having the play box on a gradient is that no vertical movement is required. The capture structure simply rotates and seals into the box as part of the rotational movement, thus avoiding the vertical movement, lost time, and additional capital cost of the elevator. In either case, the two edges of the capture structure are solid and form a seal with the edge of the regeneration box.
捕捉システムおよび装置
本発明は、一般に、大気から温室効果ガスを除去するシステムおよび方法に関し、特に、周囲の空気を含むガスの流れから二酸化炭素を順番の最初に捕捉し、その後、煙道ガスを含むガスの少なくとも1つの流れから二酸化炭素を捕捉する新規かつ改良されたシステムおよび方法に関する。本発明は、当該順序が二酸化炭素の除去の異なる順序を含み得るシステムを企図する。本発明は、煙道ガスを含むガスの2つ以上の流れを含む、当該第2の連続的なステップをさらに企図する。
CAPTURE SYSTEM AND APPARATUS The present invention relates generally to systems and methods for removing greenhouse gases from the atmosphere, and more particularly to the initial capture of carbon dioxide from a gas stream comprising ambient air, followed by flue gas. A new and improved system and method for capturing carbon dioxide from at least one stream of containing gas. The present invention contemplates systems in which the sequence may include different sequences of carbon dioxide removal. The present invention further contemplates this second sequential step involving two or more streams of gas, including flue gas.
本発明は、2011年4月29日に出願された米国特許出願第13/098,370号(現在の米国特許出願第8,500,855号)および米国特許出願第9,925,488号に記載されているシステムに対する改良を提供する。特にさらに変更された場合に、以前の出願で開示されたものよりも広範囲の使用のために利用され得るものとして認識され得るシステムおよび処理が提示される。この同時係属出願の開示は、本明細書に提示される新しい開示によって変更されることにより、完全に繰り返されるかのように、参照により本明細書に援用される。 This invention is disclosed in U.S. Patent Application No. 13/098,370, filed April 29, 2011 (now U.S. Patent Application No. 8,500,855) and U.S. Patent Application No. 9,925,488. We provide an improvement to the system described. Systems and processes are presented that can be recognized as being able to be utilized for a wider range of uses than those disclosed in previous applications, particularly when further modified. The disclosure of this co-pending application, as modified by the new disclosure presented herein, is hereby incorporated by reference as if fully repeated.
現在、エネルギーに関する以下の3つの矛盾するような目標を達成することに注目が集まっている。1)経済発展のために手頃な価格のエネルギーを提供する。2)エネルギー安全保障を達成する。3)地球温暖化による特異な気候変動を回避する。ここで、経済的繁栄に必要なエネルギーを確保し、紛争につながりかねないエネルギー不足を回避するためには、今世紀の残りの期間の間に化石燃料の使用を完全に回避する方法は実現可能ではないと仮定する。 At present, the focus is on achieving three conflicting energy goals: 1) Provide affordable energy for economic development. 2) Achieve energy security. 3) Avoid peculiar climate change caused by global warming. Here, avoiding the use of fossil fuels entirely for the remainder of this century is not feasible to ensure the energy needed for economic prosperity and to avoid energy shortages that could lead to conflict. Assume no.
二酸化炭素などのいわゆる温室効果ガス(メタンおよび水蒸気も他の主要な温室効果ガスである)の量の増加が地球の平均気温を上昇させることは、尊敬すべき科学者の間ではほとんど異論がない。 There is little disagreement among respected scientists that increasing amounts of so-called greenhouse gases such as carbon dioxide (methane and water vapor are other major greenhouse gases) raise the average global temperature. .
また、気候変動のリスクは、人間が排出する二酸化炭素の量を減らすことでしか解消されないことも明らかである。直接的な空気捕獲または直接的空気抽出(DAC)として知られる、大気からのさらなるCO2を除去することも必要である。空気抽出および大気中の二酸化炭素の量を減らす能力により、気候変動を引き起こす可能性のあるメタンのような(自然界および人間活動の双方から大気中に放出される)他の温室効果ガスの排出を補償することができる。 It is also clear that the risks of climate change can only be eliminated by reducing the amount of carbon dioxide emitted by humans. It is also necessary to remove additional CO2 from the atmosphere, known as direct air capture or direct air extraction (DAC). Through air extraction and the ability to reduce the amount of carbon dioxide in the atmosphere, emissions of other greenhouse gases such as methane (released into the atmosphere from both natural and human activities) that can cause climate change. can be compensated.
特に過去10年間で、この分野の専門家の間では、大気中のいわゆる「温室効果」ガスの増加を少なくとも遅らせるために、二酸化炭素の濃度が低いにもかかわらず、大気から直接二酸化炭素を回収することが経済的に実現可能であるという考えが一般的になってきている。現在では、適切に再生可能な吸着剤システムと、やや高いが比較的低温の剥離または再生処理を用いて、周囲条件下で大気からCO2を効率的に抽出でき、また、このような処理を、大量の周囲の空気と混合した排ガスの混合物からCO2を除去するために拡張して組み合わせることができ、煙道ガスからCO2を除去するだけでなく大気からさらにCO2を除去できることが理解されている。これにより、低コストで、かつ、高い効率で大気中のCO2を純減することができる。 Especially in the last decade, among experts in the field, it has been suggested that the capture of carbon dioxide directly from the atmosphere, despite its low concentration, would at least slow the rise of so-called "greenhouse" gases in the atmosphere. It is becoming more common to think that it is economically feasible to It is now possible to efficiently extract CO2 from the atmosphere under ambient conditions using suitably regenerable sorbent systems and moderately expensive but relatively low temperature stripping or regeneration processes, and such processes can be , can be extended and combined to remove CO2 from flue gas mixtures mixed with bulk ambient air, and can remove CO2 not only from flue gas but also from the atmosphere. It is This allows net reduction of atmospheric CO 2 at low cost and with high efficiency.
本発明は、多量の二酸化炭素含有空気から二酸化炭素を除去するためのDACシステムおよび方法に対して、より高い効率で、かつ、より低い資本経費(「CAPEX」)およびより低い運用経費(「OPEX」)を含むより低い全体コストで、さらなる新規かつ有用な改良を提供するものである。 The present invention provides a DAC system and method for removing carbon dioxide from bulk carbon dioxide laden air with higher efficiency and lower capital costs ("CAPEX") and operating costs ("OPEX"). ”) at a lower overall cost, and provide further new and useful improvements.
本発明の概要
本発明によれば、複数の別々のCO2捕捉構造体のアセンブリを利用する新規な処理およびシステムが開発される。アセンブリの各々が基材粒子のベッドを備え得る基材捕捉構造体を支持する。基材捕捉構造体は、捕捉されたCO2含有吸着剤の再生速度と比較して、周囲の空気からの、または、CO2を除去するために処理される任意のガス混合物からの吸着速度の比率に依存する比率で単一の再生ボックスと組み合わされる。好ましい実施形態では、CO2捕捉構造体は、実質的に連続した閉ループのトラック上に支持され、好ましくは閉曲線を形成し、その上で、CO2捕捉構造体は、周囲の空気の流動、または周囲の空気の大部分を含むガスの混合物に晒されながらトラックに沿って連続して長手方向に移動される。代替的に、捕捉構造体は、開放されたトラックに沿って長手方向前後に移動され得る。
SUMMARY OF THE INVENTION In accordance with the present invention, novel processes and systems are developed that utilize the assembly of multiple separate CO2 capture structures. Each of the assemblies supports a substrate capture structure that may comprise a bed of substrate particles. The substrate capture structure reduces the rate of adsorption from ambient air or from any gas mixture being processed to remove CO2 compared to the regeneration rate of the captured CO2 - containing adsorbent. Combined with a single play box in ratio dependent ratios. In a preferred embodiment, the CO2 trapping structure is supported on a substantially continuous closed loop track, preferably forming a closed curve, over which the CO2 trapping structure is exposed to ambient air flow, or It is continuously moved longitudinally along the track while being exposed to a gas mixture containing most of the ambient air. Alternatively, the capture structure can be moved longitudinally back and forth along the open track.
トラックに沿った1つの場所で長手方向の移動が停止し、CO2捕捉構造体の1つが処理のために密封されたボックス内に移動され、吸着剤からCO2を剥離させて吸着剤を再生する。吸着剤が再生されると、次のCO2捕捉構造体が再生ボックスに入力する位置に来るまで、捕捉構造体はトラックの周りを回転し、次にすべてのCO2捕捉構体の回転が停止される。本発明の改良では、捕捉構造体の少なくとも1つに周囲の空気の代わりに煙道ガスを収容させて、好ましくは、他の捕捉構造体の少なくとも大部分に周囲の空気が供給される。最も好ましくは、再生ボックスの前の最後のステーション、すなわち、段階が、純粋だが前処理された煙道ガス、または煙道ガスと周囲の空気との混合物(ここでは炭化煙道ガスと呼ぶ)である煙道ガス入力を受け取ることである。 At one location along the track longitudinal movement stops and one of the CO2 capture structures is moved into a sealed box for processing, stripping the CO2 from the adsorbent and regenerating the adsorbent. do. Once the sorbent is regenerated, the capture structure rotates around the track until the next CO2 capture structure is positioned to enter the regeneration box, then all CO2 capture structures are stopped from rotating. be. A refinement of the invention is to have at least one of the acquisition structures contain flue gas instead of ambient air, and preferably at least a majority of the other acquisition structures are supplied with ambient air. Most preferably, the last station before the regeneration box, i.e. the stage, is pure but pretreated flue gas or a mixture of flue gas and ambient air (referred to herein as carbonized flue gas). It is to receive a certain flue gas input.
入力煙道ガスの速度および濃度は入力側で独立して制御されるが、出力は別個のマニホールドを使用し得るファンによって引き出される。理想的には、状況によっては、これは純粋なDACユニットへの改造であり得る。再生ボックスに入力する前に、追加のCO2を加えて捕捉構造体基材内で吸着剤を予熱する。再生ボックスでの脱着後の捕捉構造体基材および吸着剤の冷却は変わらないままであるが、再生開始前に既にアレイが予熱されているので、除去した熱が異なって使われ得る。DACとキャブレターユニットとを分離した場合と比べて、この統合的なアプローチは以下のような利点がある。
1.1DACプラント当たりのCO2の総生産量を30%から50%(期待値)増加させ、それにより1メートルトン当たりの設備投資額を削減する。
2.DACと同様の資本プラントを使用して、煙道ガス捕捉成分の資本コストを削減する。
3.生産されたCO2の1メートルトン当たりの使用エネルギーが減少する。それは、
A.高濃度CO2を結合するアミン部位は反応熱が低いからである(なお、本実施形態では、一級アミンを含む吸着剤のみではなく、二級アミンを含む吸着剤など、別の吸着剤、または混合物が最適である可能性がある)。
B.同一の顕熱に対して生成されるCO2が多いためである。
C.煙道から出る熱がアレイを予熱するために使用されるからである。
The input flue gas velocity and concentration are independently controlled at the input, while the output is drawn by a fan which may use a separate manifold. Ideally, in some circumstances this could be a retrofit to a pure DAC unit. Additional CO2 is added to preheat the adsorbent within the capture structure matrix prior to entering the regeneration box. Cooling of the capture structure substrate and adsorbent after desorption in the regeneration box remains unchanged, but the heat removed can be used differently since the array is already preheated before regeneration begins. Compared to separate DAC and carb units, this integrated approach has the following advantages:
1. Increase total CO2 production per DAC plant by 30% to 50% (expected value), thereby reducing capital investment per metric ton.
2. Using a capital plant similar to the DAC reduces the capital cost of the flue gas capture component.
3. Less energy is used per metric ton of CO2 produced. that is,
A. This is because the amine sites that bind high concentrations of CO have a low heat of reaction (note that in this embodiment, not only adsorbents containing primary amines, but also other adsorbents, such as those containing secondary amines, or mixtures may be optimal).
B. This is because more CO2 is produced for the same sensible heat.
C. This is because the heat from the flue is used to preheat the array.
3つの考慮すべき場合が存在する。
1.熱電併給ユニットがシステム設備の熱および電力を供給するような大きさに形成されている単独の場合。
2.より大きな熱電併給施設に接続されているため、利用可能な熱および煙道ガスCO2はDACユニットに使用されるよりも多く、余分な電気および熱が発生されてしまう。
3.煙道ガスCO2の除去の必要性に基づいて電源からCO2を捕捉し、設けられたDACの大きさを決定するマイナス炭素発電所の場合(この場合、施設全体がマイナス炭素であるため、コストに基づいて煙道ガスCO2の捕捉量を選択することができる(例えば、発電所が排出するCO2よりも多く除去する)。
There are three cases to consider.
1. A single case where the cogeneration unit is sized to supply the heat and power of the system installation.
2. Being connected to a larger cogeneration facility, the available heat and flue gas CO2 is more than used for the DAC unit, resulting in excess electricity and heat being generated.
3. In the case of a negative carbon power plant that captures CO2 from the power supply based on the need for removal of flue gas CO2 and determines the size of the provided DAC (in this case, since the entire facility is negative carbon, The amount of flue gas CO2 capture can be selected based on cost (eg, remove more CO2 than the power plant emits).
上記の3つの場合に対して、同一の設計が成り立つことがわかるであろう。変更するのは熱電併給発電所の大きさだけである。上記1ではDACのエネルギーの必要性によって、上記2では特定の用途(圧縮など)でのエネルギーの必要性によって、上記3ではマイナス炭素発電所の大きさによって決定される。 It will be seen that the same design holds for the above three cases. The only change is the size of the combined heat and power plant. It is determined by the energy needs of the DAC in 1 above, by the energy needs of the particular application (compression, etc.) in 2 above, and by the size of the negative carbon power plant in 3 above.
また、排出量を削減しようとする世界では、純燃焼設備に煙突から排出される10%分のペナルティを課し、発生するマイナス炭素にクレジットを与えると主張することもできる。この場合、本実施形態は、気候変動の観点および経済性の観点の双方からも好ましい実施形態になり得る。本実施形態の処理では、純粋な煙道ガスは、少なくとも再生直前のCO2捕捉の最後のステーションで使用される。 It could also be argued that in a world trying to cut emissions, it would penalize net-combustion installations by 10% of chimney emissions, giving credit for the negative carbon produced. In this case, this embodiment can be a preferred embodiment both from the viewpoint of climate change and from the viewpoint of economy. In the process of this embodiment, pure flue gas is used at least at the last station of CO2 capture just before regeneration.
別の好ましい実施形態は、以前に前処理された、すなわち、部分的に捕捉された煙道ガスを含む供給を提供する。例えば、この煙道ガスは、最終または最後の捕捉構造体からの排気、すなわち、例えば、燃料燃焼発電所、セメント製造プラント、製鋼プラントなどの、大きなCO2含有排気を有する産業で長く使用されるタイプである従来のCO2除去システムからの排気である。このような煙道ガスに前処理を行うシステムは、石炭などの固体または石油などの液体の燃焼処理から排出される、微粒子または吸着剤に毒性のある非微粒子化合物が存在する可能性がある排ガスを扱う場合に特に重要である。 Another preferred embodiment provides a feed comprising previously pretreated, ie partially entrapped, flue gas. For example, this flue gas has long been used in industries with large CO2 - containing exhaust emissions from final or final capture structures, i.e. fuel-fired power plants, cement production plants, steel plants, etc. is the exhaust from a conventional CO2 removal system of the type. Such flue gas pretreatment systems are useful for flue gas emissions from the combustion process of solids such as coal or liquids such as petroleum, which may contain particulate or non-particulate compounds that are toxic to the sorbent. This is especially important when dealing with
このようなシステムでは、再生チャンバを加熱するための蒸気を生成するプラントが、この改良された発明に従って処理されるべき廃棄物を提供する。そのようなシステムは、例えば、吸着剤を再生するための蒸気を提供することを主目的とした単独のプラントを含む。第2の代替案は、電気発電所、セメント工場、製鉄所、および石油精製所などの別の生成物を主に伝熱併給するためにプラントを使用することである。好ましい例は、本発明のプラントから生成されたCO2から燃料を製造するための熱電併給発電所である。さらに好ましい例は、熱併給発電所が他の場所での販売または使用を目的とした燃料をCO2から生産することである。 In such a system, a plant that produces steam for heating the regeneration chamber provides waste to be treated according to this improved invention. Such systems include, for example, a single plant whose primary purpose is to provide steam for regenerating the adsorbent. A second alternative is to use the plant primarily for heat transfer co-production with another product such as electrical power plants, cement plants, steel mills, and oil refineries. A preferred example is a combined heat and power plant for the production of fuel from the CO2 produced from the plant of the invention. A further preferred example is a cogeneration plant producing fuel from CO2 intended for sale or use elsewhere.
隣接するプラントが発電所である場合、その発電所の生成物は、熱電併給された、または余剰の蒸気および電気を含み、それらの少なくとも一部は、DACプラントの運転に必要な蒸気または電気を含む。そのような発電所からの燃焼廃棄物、すなわち、煙道ガスは少なくとも一部が浄化され、次いで、再生チャンバに入力される直前にその廃棄物がCO2捕捉の最終段階に供給される。さらに、上記のように、部分的にCO2が低減された廃棄物は、捕捉構造体の直前、すなわち8番目の位置で、単独でまたは周囲の空気と混合して使用され得る。当然ながら、10個の捕捉構造体と共に単一の再生チャンバが存在する場合、再生チャンバは10番目の段階であり、捕捉構造体が再生チャンバに入力する直前の捕捉構造体の段階は9番目の段階、その前の段階は8番目の段階であると理解されよう。システムに好適な構造体の例を、以下の図面および説明文に示す。 If the adjacent plant is a power plant, the products of that power plant include co-heated or surplus steam and electricity, at least a portion of which provide the steam or electricity required to operate the DAC plant. include. The combustion waste, i.e. flue gas, from such power plants is at least partially cleaned and then the waste is fed to the final stage of CO2 capture just before entering the regeneration chamber. Additionally, as described above, the partially CO2 -depleted waste can be used immediately before the capture structure, ie, at the eighth position, either alone or mixed with ambient air. Of course, if there is a single regeneration chamber with ten capture structures, the regeneration chamber is the tenth stage and the capture structure stage just before the capture structure enters the regeneration chamber is the ninth stage. The stage, and the stage before it, will be understood to be the eighth stage. Examples of structures suitable for the system are shown in the drawings and legend below.
別の好ましい実施形態は、CO2を捕捉するために事前に部分的に処理された煙道ガスを含むCO2含有供給を提供する。例えば、排ガスは、最終または最後の捕捉構造体からの排気、または、大量のCO2含有排気を有する産業で従来から使用されている従来のCO2除去システム(燃料燃焼発電所、セメント製造プラント、製鋼プラントなど)からの排気である。このような廃棄物の前処理を伴うシステムは、石炭などの固体、または石油などの液体の燃焼処理から排出される、微粒子、固体または液体の粒子、吸着剤に毒性のあるガスなどを含む排気を扱う場合に特に重要である。 Another preferred embodiment provides a CO2 - containing feed comprising flue gas that has been partially pretreated to capture CO2. For example, the flue gas may be the exhaust from a final or final capture structure, or conventional CO2 removal systems traditionally used in industries with large amounts of CO2 - containing exhaust (fuel-burning power plants, cement manufacturing plants, (e.g. steel plants). Systems with such waste pretreatment include exhaust gases, such as particulates, solid or liquid particles, gases toxic to adsorbents, etc., emitted from combustion processes of solids such as coal or liquids such as petroleum. This is especially important when dealing with
さらなる好ましい実施形態は、プラントが、本発明のDAC+プラントから生成されたCO2から、他の場所での販売または使用を目的とした燃料を生産する状況である。 A further preferred embodiment is the situation where the plant produces fuel intended for sale or use elsewhere from the CO2 produced from the DAC+ plant of the present invention.
各捕捉構造体は、その表面上に二酸化炭素吸着部位、好ましくはアミン基、および最も好ましくは一級アミンの割合が高いアミン基を有する多孔質基材から形成される。捕捉構造体がトラックに沿って移動すると、各捕捉構造体が密閉された再生ボックスに到達するまで、移動するガス流からCO2を吸着する。本改良によれば、CO2捕捉構造体が再生ボックスに到達する数分前にループ内を移動している間に、周囲の空気の代わりに煙道ガスを各CO2捕捉構造体に通過させることで、処理をさらに改良することができる。 Each capture structure is formed from a porous substrate having carbon dioxide adsorption sites on its surface, preferably amine groups, and most preferably amine groups with a high proportion of primary amines. As the capture structures move along the track, each capture structure adsorbs CO2 from the moving gas stream until it reaches a closed regeneration box. According to this refinement, flue gas instead of ambient air is passed through each CO2 capture structure while it travels in the loop a few minutes before reaching the regeneration box. This can further improve the process.
しかしながら、上記で説明したように、本プロセス発明は、低温(好ましくは周囲~100℃)の半連続処理であり、処理の各フェーズで一方向の質量輸送を有する。この処理のさらなる新規の態様は、ガス混合物からCO2を捕捉する反応が、(アミノポリマー上の1つの好ましい実施形態では)再生可能材料で生じ、再生可能材料、例えば、アミノポリマー吸着剤が基材内に含浸される状態で生じることが好ましい。 However, as explained above, the present process invention is a low temperature (preferably ambient to 100° C.), semi-continuous process with unidirectional mass transport during each phase of the process. A further novel aspect of this process is that the reaction that captures CO2 from the gas mixture occurs on a renewable material (in one preferred embodiment on aminopolymers) and is based on renewable materials, such as aminopolymer adsorbents. It preferably occurs impregnated in the material.
吸着剤担持捕捉構造体は、好ましい実施形態では、以下により順次に支持されるモノリシック基材を含む。
1.CO2捕捉処理中に基材が移動する閉ループまたは開放式のラインに沿って基材を支持するフレームワーク。好ましい一実施形態において、基材がモノリスの孔内に含浸された吸着剤を有する多孔質モノリスを含み、
2.本発明の1つの好ましい実施形態における基材は、例えば、コージライト、ムライト、シリカ、アルミナ、チタニア、シリカメゾセルフォーム(MCF)、およびメソポーラス-γ-アルミナ、ならびにMCFまたは他のそのような材料の細孔全体に渡って被覆されたメソ多孔質-γ-アルミナからのセラミック材料、金属酸化物(例えば、単一または混合された他の金属のシリカ、アルミナ、チタニア、または多孔質酸化物)から形成することができ、CO2捕捉段階中または以下に記載される吸着剤の再生中に満足される条件下でそのモノリシック形状を維持することができるのに十分な構造体的強度および耐熱性を有する。熱条件が厳しくない場合は、多孔質ガラス繊維、硬質ポリマープラスチック、または押出、波形化、圧着、3D印刷、もしくは成形、または他の既知のまたは開発される手順によって所望の形状に形成され得る他の構造体的に強固な多孔質材料等の他の多孔質材料を使用してよい。
3.含浸吸着剤
a.最も一般的に使用される吸着剤はアミノポリマーである。
i.ポリエチレンイミン(PEI)は、以下の理由でその分野で働くほとんどの人が選ぶ吸着剤である。
1.低CO2濃度での高い活性、高いアミン密度、大規模な商業利用可能性。
2.しかし、それは高温での既知の酸化分解によって制限される。
ii.他のアミノポリマーは、様々な程度の一級、二級、および三級アミン、ならびに様々な骨格化学、分子量、分岐度、および添加剤を有する吸着剤として使用することができる。CO2吸着剤として有用な他の既知のポリアミンは、ポリプロピレンアミン、ポリグリコールアミン、ポリプロピレンアミン(ビニルアミン)、およびポリ(アリルアミン)、ならびにそれらの誘導体である。
iii.非アミノポリマー吸着剤は、有用な吸着剤として考慮すべきである。
1.金属有機フレームワーク、共有有機フレームワーク、POM、およびその他のそのような材料が有用である。
2.非重合性アミン吸着剤(「Ph-XX-YY」)、オリゴマー。
3.システムに対する改良は、高い安定性(捕捉剤)、活性(コポリマー)、接触性(PEG)、および当技術分野で既知である、または今後開発される多くの他のもののために吸着剤と組み合わせた非吸着性添加剤の使用によって達成され得る。
The sorbent-bearing capture structure, in preferred embodiments, comprises a monolithic substrate supported in turn by:
1. A framework that supports the substrate along a closed loop or open line along which the substrate travels during the CO2 capture process. In one preferred embodiment, the substrate comprises a porous monolith having an adsorbent impregnated within the pores of the monolith;
2. Substrates in one preferred embodiment of the present invention include, for example, cordierite, mullite, silica, alumina, titania, silica mesocellular foam (MCF), and mesoporous-γ-alumina, as well as MCF or other such materials ceramic materials from mesoporous-gamma-alumina, metal oxides (e.g. silica, alumina, titania, or porous oxides of other metals, single or mixed) coated throughout the pores of sufficient structural strength and thermal resistance to be able to maintain its monolithic shape under satisfactory conditions during the CO2 capture step or during regeneration of the adsorbent as described below. have Porous fiberglass, rigid polymeric plastics, or other materials that can be formed into desired shapes by extrusion, corrugating, crimping, 3D printing, or molding, or other known or developed procedures, if thermal conditions are less severe. Other porous materials may be used, such as structurally strong porous materials such as
3. Impregnated Adsorbent a. The most commonly used adsorbents are aminopolymers.
i. Polyethylenimine (PEI) is the adsorbent of choice for most people working in the field for the following reasons.
1. High activity at low CO2 concentration, high amine density, large scale commercial availability.
2. However, it is limited by known oxidative decomposition at high temperatures.
ii. Other amino polymers can be used as adsorbents with varying degrees of primary, secondary, and tertiary amines, and varying backbone chemistries, molecular weights, degrees of branching, and additives. Other known polyamines useful as CO2 adsorbents are polypropyleneamine, polyglycolamine, polypropyleneamine (vinylamine), and poly(allylamine), and their derivatives.
iii. Non-amino polymeric adsorbents should be considered as useful adsorbents.
1. Metal-organic frameworks, covalent organic frameworks, POMs, and other such materials are useful.
2. Non-Polymerizable Amine Adsorbents (“Ph-XX-YY”), Oligomers.
3. Improvements to the system have been combined with adsorbents for high stability (scavenging agents), activity (copolymers), accessibility (PEG), and many others known in the art or to be developed in the future. This can be achieved through the use of non-adsorptive additives.
活性吸着剤(例えば、3D印刷)から構築された接触器も使用され得ることが本発明により企図される。 It is contemplated by the present invention that contactors constructed from active adsorbents (eg, 3D printed) may also be used.
分析
一般に、DAC除去システム(「システム」)は、それぞれの基材が再生チャンバに入力する前に、CO2捕捉の最終段階に(好ましくは事前に処理された)煙道ガスを供給することによって、1DACサイクル当たりの煙道ガスから余分な成分FGCO2を捕捉する。これにより、追加のCO2(「FG CO2」)が捕捉される。これにより、最終段階での効率が向上し、システムの各サイクル中に捕捉されるCO2の量が増加する。最初に、1メートルトン当たりの設備投資は、(添加された煙道ガスのない)純粋なDACと比較して1/(1+FGCO2)だけ減少する。これは、周囲の空気と比較して、煙道ガス中のCO2濃度が増加したことに起因する。増加した濃度の効果は、吸着剤の種類によって異なる。また、各段階で煙道ガスのわずかな一部を含む空気を処理する場合、追加設備にかかる費用も回避できる。
Analysis In general, a DAC removal system (“system”) operates by feeding (preferably pre-treated) flue gas to the final stage of CO2 capture before each substrate enters the regeneration chamber. , captures the excess component FGCO 2 from the flue gas per DAC cycle. This captures additional CO 2 (“FG CO 2 ”). This improves efficiency in the final stages and increases the amount of CO2 captured during each cycle of the system. First, the capital investment per metric ton is reduced by 1/(1+FGCO 2 ) compared to a pure DAC (without added flue gas). This is due to the increased CO2 concentration in the flue gas compared to ambient air. The effect of increased concentration varies with adsorbent type. Also, the cost of additional equipment is avoided when treating air containing a small fraction of the flue gas at each stage.
熱電併給発電所が1年当たりM*(MMbtu)量の天然ガスを燃焼した場合、熱と電気のために生み出されたエネルギー量Mは、M=COGENE×M*で与えられ、煙道から出る一次エネルギー量はMF=(1-COGENE)×M*であり、そのエネルギーにはCO2が捕捉された場合の反応エネルギーと凝縮された場合の水のエネルギーは含まれず、COGENEは伝熱併給ユニットのエネルギー効率である。煙道ガスCO2の排出量、1年当たりのFT CO2は、FTCO2=0.056M*メートルトン/年である。 If a combined heat and power plant burns M*(MMbtu) amounts of natural gas per year, the amount of energy M produced for heat and electricity is given by M=COGENE*M* and exits the flue The primary energy content is MF = (1-COGENE) x M*, the energy of which does not include the reaction energy when CO2 is captured and the energy of water when it is condensed, and COGENE is the combined heat transfer unit energy efficiency. The flue gas CO2 emissions, FT CO2 per year, is FTCO2 = 0.056 M*metric tons/year.
捕捉ECFの効率で煙道ガスからそのCO2を捕捉した場合、1年当たりの煙道ガスからのCO2の捕捉量は以下となる。
FGCO2=ECF×FTCO2
1年当たりのFCCO2と捕捉された総空気CO2との比率DACCO2は、1サイクル当たりの比率と同一である。これは、DACユニットに対して、以下の場合の1年当たりのDACCO2メートルトンを捕捉することを意味する。
DACCO2=(l/FGCO2)×ECF×FTCO2
捕捉された総CO2(TCCCO2)は、以下から判定される。
TCCO2=(l/FGCO2+-l)×ECF×FTCO2.
CO2の放出量は(l-ECF)FTCO2である。プラント全体では、(1/FGCO2+1)×(ECF-1)FTCO2の量だけマイナス炭素となる。
If the CO2 is captured from the flue gas at the capture ECF efficiency, the amount of CO2 captured from the flue gas per year is:
FGCO2 = ECF x FTCO2
The ratio DACCO2 between FCCO2 and total air CO2 captured per year is the same as the ratio per cycle. For a DAC unit this means capturing 2 metric tons of DACCO per year where:
DACCO2 = (l/ FGCO2 ) x ECF x FTCO2
Total CO 2 captured (TCCCO 2 ) is determined from:
TCCO 2 =(l/FGCO 2 +−l)×ECF×FTCO 2.
The amount of CO 2 emitted is (1-ECF)FTCO 2 . The entire plant will have minus carbon by the amount of (1/FGCO 2 +1)×(ECF−1)FTCO 2 .
ECF=0.9に対して(わずかな割合の煙道ガス(「キャブレター」)と混合された空気の場合は)、これは1.7FTCO2(FGCO2=.S)から-0.8FTCO2(FGCO2=1)まで変化する。これは、システムに流入するFGCO2の量が少ないほど、プラントのマイナス炭素が大きいことを意味するが、プラントのマイナス炭素が大きいほど、Capexの減少が少ないことを意味する。これは、捕捉される煙道ガスの割合が大きいほど設備投資が縮小するが、マイナス炭素が大きいほどプラント全体が縮小するという結果が予想される。 For an ECF=0.9 (for air mixed with a small percentage of flue gas (“carburetor”)), this is 1.7 FTCO 2 (FGCO 2 =.S) to −0.8 FTCO 2 (FGCO 2 =1). This means that less FGCO2 entering the system means more negative carbon in the plant, whereas more negative carbon in the plant means less Capex reduction. This is expected to result in a smaller capital investment for a larger percentage of flue gas captured, but a smaller overall plant for larger negative carbon.
熱電併給ユニットがDACユニットの熱および電気を提供するためだけの大きさに形成され、そのCO2がCO2除去システムを通って排出される場合であり、かつ、総エネルギー(熱および電気)が例えば1メートルトン当たり6MMbtuである場合には、プラントは(1~0.9×6×0.056)マイナス炭素または約0.7である。これは、明らかにFGCO2が1に等しい場合とよく一致する。しかし、純粋なDACの場合では、余分な電力は生成されない。その結果、CAPEXコストが高くなり、1メートルトン当たりのエネルギー消費量が増加する。そのため、例えば、CAPEXがより少なく、捕捉に使用するエネルギーがより少なく、よりマイナス炭素であるなど、この統合された実施形態は好ましくなる。 If the cogeneration unit is sized only to provide heat and electricity for the DAC unit, its CO2 is exhausted through the CO2 removal system, and the total energy (heat and electricity) is For example, at 6MMbtu per metric ton, the plant is (1-0.9 x 6 x 0.056) minus carbon or about 0.7. This clearly agrees well with the case where FGCO 2 equals 1. However, in the pure DAC case, no extra power is generated. This results in higher CAPEX costs and higher energy consumption per metric ton. So, for example, less CAPEX, less energy used for capture, more negative carbon, etc., this integrated embodiment is preferred.
次に評価すべきことは、必要とするエネルギーをどれだけ少なくし、それゆえ、どれだけ余分な電力を生産することができるかである。DACの生産量1メートルトン当たりに必要なエネルギーがMDACであり、1メートルトン当たりの煙道ガスを捕捉するために必要なエネルギーがMFGである場合(MFGに対して、煙道ガス成分に余分な顕熱成分はなく、CO2を遊離するための反応熱が減少すると仮定する)、1メートルトン当たりのCO2捕捉に必要な総エネルギーは以下のように求められる。
MT CO2=((1/FGCO2)×MDAC+MFG)/((1/FGCO2}+l}=(MDAC+FGCO2×MFG}/(l+FGCO2}
これにより、DACの場合と比較して、1メートルトン当たりのエネルギーが既に節約されている。
MDAC-MTCO2=(MDAC-J\;1FG}FGCO2/(l+FGCO2}=(SHA+ΔHR}×(FGCO2/(l+FGCO2}}
式中、SHAは全顕熱であり、ΔHRは煙道ガス成分の反応熱の減少分である。1メートルトン当たりの電力使用量も減少する。
The next thing to evaluate is how much less energy you need and therefore how much extra power you can produce. If MDAC is the energy required per metric ton of DAC production and MFG is the energy required to capture 1 metric ton of flue gas (for MFG, the excess of flue gas constituents is Assuming that there is no significant sensible heat component and the heat of reaction to liberate CO2 is reduced), the total energy required to capture CO2 per metric ton is given by:
MT CO2 = ((1/ FGCO2 ) x MDAC + MFG)/((1/ FGCO2 } + l} = (MDAC + FGCO2 x MFG}/(l + FGCO2 })
This already saves energy per metric ton compared to the DAC case.
MDAC−MTCO 2 =(MDAC−J\;1FG}FGCO 2 /(l+FGCO 2 }=(SHA+ΔHR}×(FGCO 2 /(l+FGCO 2 }})
where SHA is the total sensible heat and ΔHR is the reduction in the heat of reaction of the flue gas components. Electricity usage per metric ton is also reduced.
さらに、煙道ガスの熱を利用してSHAの1/2が提供されるようにアレイを予熱することができれば、0.5SHAのさらなる減少がある。なお、この熱は煙道ガス流から発生し、それゆえ通常は使用されないため、発電量を減少させることはなく、完全に廃熱である。 Moreover, if the heat of the flue gas can be used to preheat the array to provide half the SHA, there is a further reduction of 0.5 SHA. Note that this heat is generated from the flue gas stream and is therefore not normally used, so it does not reduce the production of electricity and is completely waste heat.
再生後にSHAを回収すれば、例えば米国特許9,925,488に記載されているように、2つの再生ボックスのシステムで行われているように、熱交換によって顕熱の3/4を回収できる可能性が原理的にあり得る。煙道ガスの熱で直接行うことは可能であるが、温度の上昇は捕捉された余分なCO2を減少させる可能性がある(ここでも容量と動力学との間にトレードオフが存在する)。用途によっては、伝熱併給ユニットへの水の予熱を含む低熱の使用があり得るが、非常に好ましい実施形態では、予熱が吸着の最終段階で行われるため、最良の結果は、再生をより速くすることであり得る。 If the SHA is recovered after regeneration, 3/4 of the sensible heat can be recovered by heat exchange, as is done in a system of two regeneration boxes, for example, as described in US Pat. No. 9,925,488. It is possible in principle. It is possible to do so directly with the heat of the flue gas, but increasing the temperature may reduce the excess CO2 captured (again there is a trade-off between capacity and kinetics) . Depending on the application, there may be the use of lower heat, including preheating of the water to the heat transfer co-generation unit, but in a highly preferred embodiment preheating occurs at the end of the adsorption, so the best result is faster regeneration. can be
この点で、煙道ガス段階の設計には別の自由度があることに留意すべきである。すなわち、煙道ガス流の速度および濃度を選択して、生成物が排出される煙道ガスCO2の速度と一致するように一定に保つ。一般的に、低速はDACモノリスをより高いCPSIのように見せるため、高濃度および低速が望まれる。モノリスが100 CPSIを有し、毎秒5rnで0.7の減衰指数を有する場合、毎秒1mでは減衰指数は3.5となる。この実施形態のより一般的な別の特徴は、煙道ガス流からの捕捉効率を緩和することができるが、全体的な結果は依然としてマイナス炭素であるということである。各システムの最適な効率パラメータを決定するには、処理される煙道ガス成分の速度および濃度から経験的に決定される必要がある。 In this respect it should be noted that there is another degree of freedom in the design of the flue gas stage. That is, the velocity and concentration of the flue gas stream are selected and kept constant to match the velocity of the flue gas CO2 from which the products are discharged. In general, high concentrations and low speeds are desired because low speeds make the DAC monolith look like a higher CPSI. If the monolith has 100 CPSI and has a damping index of 0.7 at 5 rn/s, then at 1 m/s the damping index will be 3.5. Another more general feature of this embodiment is that although the capture efficiency from the flue gas stream can be moderated, the overall result is still negative carbon. Determining the optimum efficiency parameters for each system needs to be empirically determined from the velocities and concentrations of the flue gas components being treated.
したがって、残りの疑問点は、再生前に基材を予熱するのに必要な熱を提供するために、接触器を通過する煙道ガス流内に十分に使用可能な熱が存在するかどうかである。アレイを予熱するために必要な熱は、凝縮水によって生成される熱と、煙道ガス流から捕捉されるCO2の反応熱と、煙道ガス流の顕熱とによって以下のように提供され得る。
a.THF=煙道ガス中の総熱量=SHF+煙道ガス流中の水蒸気(HFCW)の凝縮熱+再生前の最後のステーションで回収されたCO2の1メートルトン当たりのCO2(HFRC)の反応熱
The remaining question, therefore, is whether there is sufficient available heat in the flue gas stream passing through the contactor to provide the necessary heat to preheat the substrate prior to regeneration. be. The heat required to preheat the array is provided by the heat produced by the condensed water, the heat of reaction of CO2 captured from the flue gas stream, and the sensible heat of the flue gas stream as follows: obtain.
a. THF = total heat in flue gas = SHF + heat of condensation of water vapor (HFCW) in flue gas stream + reaction of CO2 (HFRC) per metric ton of CO2 captured at last station before regeneration heat
十分な熱があるかどうかを非常に大雑把に見積もるためには、SHAがCO2の1メートルトン当たり2MM BTUであると仮定すると、全体的に必要な熱はCO2の1メートルトン当たりの燃焼時に放出されるエネルギーの約30%である6MM BTUであると仮定する。
a.CO2の捕捉は、回収された総CO2の最大1/2でしかなく、反応熱が低いため、あまり追加されないであろう。
b.SHF=回収されたCO2の1メートルトン当たりの煙道ガス中の顕熱=(1-COGENE)M*。COGENEの70%の範囲にある場合、30%が煙道を上がる。ここで、(200℃から50℃まで冷却することにより)その熱の1/4が利用可能であると仮定する。これは、必要なことの約1/2であり得る。
To give a very rough estimate of whether there is enough heat, assuming SHA is 2MM BTU per metric ton of CO2 , the overall heat required is: Assume a 6MM BTU that is about 30% of the energy emitted at one time.
a. CO2 capture is only up to ½ of the total CO2 recovered and will not add much due to the low heat of reaction.
b. SHF = sensible heat in flue gas per metric ton of CO2 captured = (1-COGENE)M*. When in the 70% range of COGENE, 30% goes up the flue. Now assume that 1/4 of that heat is available (by cooling from 200°C to 50°C). This can be about 1/2 of what is needed.
しかしながら、CO2捕捉段階の最後の段階に入力する煙道ガス内の利用可能な水蒸気からの潜在熱は、CO2捕捉ユニットが再生ボックスに入力する前に予熱するのに十分であろう。したがって、別の好ましい実施形態では、高温の煙道ガスは、入力煙道ガス流が最終温度、例えば60℃よりも高いデルタT(例えば70℃)になるように水を蒸発させることによって冷却することが可能である。しかし、煙道ガスの水蒸気含有量は高く、基材(「SA」)温度を60℃に上昇させるのに必要な潜熱量以上の水蒸気を含んでいた。この場合、予熱は90秒で行われることに留意されたい。速度は毎秒1mと仮定し、煙道ガスは一般的に少なくとも約10%の水を含有し、それは毎秒300cmで30秒間の純粋な蒸気の入力に相当する。これは明らかに過剰である。しかしながら、このようにして生成された過剰な水は、例えば、米国南西部やアフリカまたはアジアの砂漠地域のように、水が高価な砂漠地域などの場所で価値のある副産物となるであろう。SAが60℃で再生ボックスに入力すると、再生ボックスを大幅に冷却することなく、圧力を0.2barまで低下させることが可能である。実際には、圧力をさらに低下させることで、さらに冷却することができるが、水蒸気を使用して捕捉された煙道ガスを押し流すことができる。 However, the latent heat from available water vapor in the flue gas entering the last stage of the CO2 capture stage will be sufficient to preheat the CO2 capture unit before entering the regeneration box. Therefore, in another preferred embodiment, the hot flue gas is cooled by evaporating water so that the input flue gas stream has a delta T (eg 70°C) above the final temperature, eg 60°C. It is possible. However, the water vapor content of the flue gas was high, containing more than the amount of latent heat required to raise the substrate ("SA") temperature to 60°C. Note that in this case preheating is done in 90 seconds. Assuming a velocity of 1 m/s, the flue gas generally contains at least about 10% water, which corresponds to 30 seconds of pure steam input at 300 cm/s. This is clearly excessive. However, the excess water produced in this way would be a valuable by-product in places such as desert regions where water is expensive, for example in the southwestern United States or desert regions in Africa or Asia. If the SA enters the regeneration box at 60° C., it is possible to reduce the pressure to 0.2 bar without significantly cooling the regeneration box. In practice, lowering the pressure further may result in further cooling, but water vapor may be used to sweep away the trapped flue gas.
再生ボックス内で密封されると、吸着剤は、例えば、蒸気で加熱することによって処理され、吸着剤からCO2を除去させ、吸着剤を再生させる。取り出されたCO2はボックスから取り出され、捕捉される。次いで、再生された吸着剤を有する捕捉構造体は、密封されたボックスから移動し、次の捕捉構造体が再生ボックスに移動する位置に移動するまで、より多くのCO2を吸着するために他の捕捉構造体と共にトラックに沿って移動する。剥離/再生位置では、捕捉構造体は、トラックの勾配の上方または下方に設置されたボックス内に移動され得る、あるいは、捕捉構造体がトラックと同一の勾配水準でボックス内に移動し、捕捉構造体とシールを形成するようにボックスが設置され得る。これらのいくつかの代替案は、以下でさらに定義され、添付の図面で図示される。 Once sealed in the regeneration box, the adsorbent is treated, for example by heating with steam, to remove the CO2 from the adsorbent and regenerate the adsorbent. The extracted CO2 is taken out of the box and captured. The capture structure with regenerated sorbent is then moved out of the sealed box and moved to another position to adsorb more CO2 until the next capture structure moves into the regeneration box. capture structure along the track. In the strip/regenerate position, the capture structure can be moved into a box placed above or below the slope of the track, or the capture structure can be moved into the box at the same slope level as the track and the capture structure A box may be installed to form a seal with the body. Some of these alternatives are further defined below and illustrated in the accompanying drawings.
再生ボックスが勾配の下方または上方にある例では、システムが捕捉構造体を上昇または下降させるためのサブシステムを備えねばならない。再生ボックスがトラックの勾配上にあるシステムでは、側面に沿って、ならびに上面および/または底面に沿ってシールを設けるために満足する密封構成が必要である。 In instances where the regeneration box is below or above the gradient, the system must include a subsystem for raising or lowering the capture structure. A system where the recycle box is on the slope of the track requires a satisfactory sealing arrangement to provide seals along the sides and along the top and/or bottom.
CO2吸着および除去工程
この処理の大前提は、空気または空気および排ガスの混合物を、好ましくは常温またはそれに近い状態で吸着剤ベッドに通すことによって、大気からCO2を吸着させることである。CO2が吸着剤に吸着されると、CO2が回収され、吸着剤が再生される必要がある。後者のステップは、密封された格納ボックス内の蒸気で吸着剤を加熱してCO2を放出させ、かつ、吸着剤を再生させることによって行われ得る。CO2はボックスから回収され、次いで、吸着剤は再生ボックスから離れるときに大気からCO2を再び吸着するために利用可能である。
CO2 Adsorption and Removal Step The premise of this process is the adsorption of CO2 from the atmosphere by passing air or a mixture of air and tail gas through an adsorbent bed, preferably at or near ambient temperature. Once the CO2 is adsorbed on the adsorbent, the CO2 needs to be captured and the adsorbent regenerated. The latter step can be performed by heating the adsorbent with steam in a sealed containment box to release the CO2 and regenerate the adsorbent. CO2 is recovered from the box and the adsorbent is then available to re-adsorb CO2 from the atmosphere as it leaves the regeneration box.
ほとんどの市販の吸着剤は、一定以上の温度で空気に晒されると容易に分解され、したがって非活性化されることが周知である。したがって、多くの場合、基材上の吸着剤は捕捉構造体が再生ボックスを離れ、空気流に戻される前に冷却されなければならない。 It is well known that most commercially available adsorbents are readily decomposed and thus deactivated when exposed to air above a certain temperature. Therefore, in many cases the adsorbent on the substrate must be cooled before the capture structure leaves the regeneration box and is returned to the air stream.
本発明の処理の別の好ましい実施形態では、好ましくは、任意の粒子状固体または液体材料、および吸着剤に有毒な任意のガス材料を除去した後の精製形態の煙道ガスは、捕捉構造体が再生チャンバに入力する直前に捕捉構造体を通して流動される。この煙道ガス処理段階は閉められたチャンバ内で実施されることが好ましい。それにより、捕捉構造体内の多孔質基材の主要表面を通過する前に、前処理された煙道ガスが環境内に逃げることができない。 In another preferred embodiment of the process of the present invention, the flue gas, preferably in purified form after removal of any particulate solid or liquid material, and any gaseous material toxic to the adsorbent, is treated with a capture structure is flowed through the capture structure just prior to entering the regeneration chamber. This flue gas treatment step is preferably carried out in a closed chamber. Thereby, the pretreated flue gas cannot escape into the environment prior to passing through the major surface of the porous substrate within the capture structure.
一般に、周囲の空気からのCO2吸着に要する期間は、煙道ガスからの吸着時間よりも長く、そのCO2の濃度ははるかに高い。吸着剤の現在の生成では、この差は、CO2放出と吸着剤再生に必要な時間と比較して、周囲の空気を処理する場合、おおよそ10倍の吸着期間を必要とする。したがって、ポリエチレンイミン吸着剤の使用に基づいて、10個の捕捉構造体および単一の再生ユニットを有するシステムが、それぞれの回転システムの現在の基礎として採用されている。吸着剤の性能が時間の経過と共に向上する場合、吸着時間と脱着時間との比率、したがって、システムに必要な捕捉構造体の数が減少する可能性がある。 In general, the duration of CO2 adsorption from ambient air is longer than the adsorption time from flue gas, and the concentration of CO2 is much higher. In current production of sorbents, this difference requires roughly ten times the duration of adsorption when treating ambient air compared to the time required for CO 2 release and sorbent regeneration. Therefore, based on the use of polyethyleneimine sorbents, systems with 10 trapping structures and a single regeneration unit are taken as the current basis for each rotating system. If the performance of the adsorbent improves over time, the ratio of adsorption to desorption time, and thus the number of capture structures required for the system, may decrease.
特に、より添着量の多い吸着剤の実施形態が使用される場合、1時間の吸着時間が実行可能であり、それゆえ5つの捕捉構造体のみに対応するために1つの再生ボックスを必要とする。加えて、相対的な処理時間は、処理されたガス混合物中のCO2の濃度によって変化し、CO2含有量が高いほど、再生時間に対して吸着時間が短くなる。例えば、燃焼廃棄物(「煙道ガス」)をガス混合器、または「キャブレター」を通して周囲の空気と混合することによって、混合物は空気よりも著しく高いCO2濃度を有するが、純粋な煙道ガスよりも著しく低い濃度を有する。 Especially when higher loading adsorbent embodiments are used, one hour adsorption times are feasible, thus requiring one regeneration box to accommodate only five capture structures. . In addition, the relative treatment times vary with the concentration of CO2 in the treated gas mixture, with higher CO2 contents resulting in shorter adsorption times relative to regeneration times. For example, by mixing combustion waste (“flue gas”) with ambient air through a gas mixer, or “carburetor,” the mixture will have a significantly higher CO2 concentration than air, but pure flue gas has a significantly lower concentration than
煙道ガスからCO2をより完全に、かつ、確実に除去するために、再生の直前の9番目の、すなわち、最終の段階からの廃棄物は、第2のチャンバ内に戻される。好ましくは、直前の段階、すなわち、捕捉構造体の吸着サイクルの第8段階に戻される。 In order to more completely and reliably remove CO2 from the flue gas, the waste from the ninth or final stage just before regeneration is returned into the second chamber. Preferably, the previous stage, ie the eighth stage of the adsorption cycle of the capture structure, is returned.
上記の実施形態の全てにおいて、本発明の処理は、低温(すなわち、周囲温度、100℃以下)バッチ処理のままであり、処理の各段階において一方向の質量輸送を有する。 In all of the above embodiments, the process of the present invention remains a low temperature (ie, ambient temperature, below 100° C.) batch process, with unidirectional mass transport at each stage of the process.
少なくとも吸着サイクルの最初の7段階および密封されたボックス内の再生サイクルの双方の間における、捕捉構造体内の化学的および物理的活動ならびに捕捉構造体および再生チャンバの機構は、米国特許第10,413,866号および第10,512,880号に記載されているものと実質的に同一である。これらの特許の開示は、本明細書に提示された新たな開示によって変更されるように、完全に繰り返されたかのように本明細書に参照として援用される。本発明によるシステムでは、各回転システムは、回転捕捉構造体の各群に対して1つの密封的な再生ボックスを設ける。捕捉構造体の数は、所望の吸着および所望の再生を達成するための相対時間に依存する。さらに、ある好ましい実施形態では、2つの回転捕捉構造体システムのための再生ボックスの相互作用が可能になるように、回転システムのうちの2つを適切な関係で空間的に関連付け、かつ、時間的に作動させることによって、より大きな効率とより低いコストが達成されることが見出された。各々が再生ボックスに入力する時間をオフセットさせることで、第1のボックスで再生が行われた結果、第2は第1の残りの熱で余熱されてその再生ボックスに入力する。これにより、再生された捕捉構造体を回転トラック上のその吸着サイクルに戻す前に効率よく冷却することもできる。 The chemical and physical activity within the trapping structure and the mechanism of the trapping structure and regeneration chamber during at least the first seven stages of the adsorption cycle and the regeneration cycle within the sealed box are described in U.S. Pat. No. 10,413. , 866 and 10,512,880. The disclosures of these patents are hereby incorporated by reference as if fully repeated, as modified by the new disclosures presented herein. In the system according to the invention, each rotating system provides one sealed regeneration box for each group of rotating capture structures. The number of capture structures depends on the relative time to achieve desired adsorption and desired regeneration. Furthermore, in certain preferred embodiments, two of the rotating systems are spatially related in a suitable relationship and temporally coupled to allow interaction of the regeneration boxes for the two rotating capture structure systems. It has been found that by operating systematically, greater efficiency and lower costs are achieved. By offsetting the time each enters the regeneration box, regeneration in the first box results in the second being preheated with the residual heat of the first and entering its regeneration box. This also allows for efficient cooling of the regenerated capture structure before returning it to its adsorption cycle on the rotating track.
再生ボックス間のこの相互作用は、本発明に従って、第1のボックスシステムの圧力を低下させることによって達成され、それにより、CO2の放出後に第1のボックスに残っている蒸気および水が蒸発し、システムがその低下した分圧で蒸気の飽和温度まで冷却する。さらに、以下に記載されるように、この処理で放出される熱は、第2の吸着剤捕捉構造体を予熱するために使用され、その結果、おおよそ50%の顕熱回収を実現し、エネルギーおよび水の使用に有益な影響を与える。この概念は、耐酸素性吸着剤が利用されていても利用することができる。酸素感受性の低い吸着剤をより高い温度で使用すると、性能が時間の経過と共に向上することになる。少なくとも再生ボックスの直前の最終段階、場合によってはその前の1つ以上の段階における煙道ガス直接注入の濃度が高いため、吸着剤に吸着されるCO2の濃度が高くなり、吸着反応の発熱性により、吸着剤および基材はより高温となることが理解されるであろう。これにより、周囲の空気のみの処理を扱う場合、またはわずかな割合の煙道ガスと混合させるときに、再生チャンバ内の圧力を必要に応じて真空まで低下させる必要性を回避することが可能になる。 This interaction between the regeneration boxes is achieved according to the invention by reducing the pressure of the first box system, so that the steam and water remaining in the first box after the release of CO2 evaporates. , the system cools to the saturation temperature of the vapor at its reduced partial pressure. Additionally, as described below, the heat released in this process is used to preheat the second sorbent capture structure, resulting in approximately 50% sensible heat recovery and energy and beneficially affect water use. This concept can be utilized even if oxygen-tolerant adsorbents are utilized. The use of less oxygen sensitive adsorbents at higher temperatures will result in improved performance over time. The high concentration of direct flue gas injection in at least the final stage immediately before the regeneration box, and possibly in one or more stages before it, leads to a high concentration of CO2 adsorbed on the adsorbent and an exothermic heat of the adsorption reaction. It will be appreciated that the adsorbent and substrate will be hotter depending on the nature. This makes it possible to avoid the need to optionally reduce the pressure in the regeneration chamber to vacuum when dealing with ambient air only processing or mixing with a small percentage of flue gas. Become.
先の特許で論じたように、空気中の酸素による非活性化を回避するように、吸着剤捕捉構造体は空気に晒す前に冷却されることが好ましい。米国特許出願第14/063,850号に記載されているように、ポリアミンの中で、ポリ(アリルアミン)およびポリ(ビニルアミン)などの熱分解に対するより大きな耐性を有する吸着剤およびそれらの誘導体を利用することができる。必要に応じて、再生ボックス内のシステム圧力を低下させて蒸気飽和温度を低下させることにより、冷却を達成することができる。これは、システムの温度を低下させるため、吸着剤非活性化問題を排除するのに効果的であることが示されている。その結果、脱圧ステップ中に冷却される第1の捕捉構造体からかなりの量のエネルギーが除去される。CO2吸着段階を終えたCO2含有基材が第2の再生ボックスに入力する毎に、CO2を放出して吸着剤を再生させるために加熱される必要がある。この熱は、再生ボックスに供給される大気圧蒸気のみによって供給することができるが、これは余分な運転コストとなる。この運転コストを最小限に抑えるために、2ベッドの設計コンセプトが開発された。このコンセプトでは、米国特許第10,512,880号に記載されているように、第1の再生ボックス内のシステム圧力(したがって、蒸気飽和温度)を低下させることによって冷却されている第1の再生ボックスから除去される熱を、第2の再生ボックス内で再生されるCO2含有基材の少なくとも部分的な予熱に使用する。したがって、蒸気使用量は、第1のボックスの冷却からの熱を使用して第2のボックスの温度を増加させることによって低減される。第2のボックスの残りの熱負荷は、好ましくは大気圧で蒸気を追加することによって達成される。この処理を、2つの再生ボックスに出入りする他の回転捕捉構造体について繰り返すことで、システムの熱効率を大幅に向上させる。 As discussed in previous patents, the adsorbent capture structure is preferably cooled prior to exposure to air to avoid deactivation by oxygen in the air. Utilizing adsorbents and their derivatives with greater resistance to thermal decomposition, such as poly(allylamine) and poly(vinylamine) among polyamines, as described in US patent application Ser. No. 14/063,850 can do. Cooling can be achieved, if desired, by lowering the system pressure in the regeneration box to lower the vapor saturation temperature. This has been shown to be effective in eliminating the adsorbent deactivation problem as it lowers the temperature of the system. As a result, a significant amount of energy is removed from the first capture structure that is cooled during the depressurization step. Each time the CO2 -bearing substrate that has completed the CO2 adsorption stage enters the second regeneration box, it needs to be heated to release the CO2 and regenerate the adsorbent. This heat can be supplied solely by atmospheric pressure steam supplied to the regeneration box, but this is an extra operating cost. To minimize this operating cost, a two-bed design concept was developed. In this concept, the first regeneration box being cooled by lowering the system pressure (and thus the vapor saturation temperature) in the first regeneration box, as described in US Pat. No. 10,512,880. The heat removed from the box is used for at least partial preheating of the CO2 - containing substrate to be regenerated in the second regeneration box. Thus, steam usage is reduced by using heat from cooling the first box to increase the temperature of the second box. The remaining heat load of the second box is accomplished by adding steam, preferably at atmospheric pressure. This process is repeated for other rotating capture structures entering and exiting the two regeneration boxes, greatly improving the thermal efficiency of the system.
上記のいくつかの頭字語は以下のように定義され得る。
FG-CO2=煙道ガスである1サイクル当たりの捕捉された空気CO2捕捉に対するCO2の割合
DA. CO2=1サイクル当たりの捕捉される空気CO2の量
FGCAPEX=純粋なキャブレターの実施形態における煙道ガスの運用経費、すなわち、周囲の空気と煙道ガスとの混合物が各捕捉構造体に供給される場合、M*=MMBTuで燃焼される総天然ガス
M=使用可能な熱と生成された電気
COGENE=熱電併給効率=M/M*
FGCCO2=1年当たりの捕捉される煙道ガスCO2
DACCO2=1年当たりの捕捉される空気CO2
FTCO2==燃焼するJ\11*天然ガスで生成される総煙道ガスCO2
MTCO2=1年当たりの捕捉される捕捉された総CO2=1年当たりの捕捉される煙道ガスと空気とからの総CO2
ECF=煙道ガスの捕捉の効率
MDAC=捕捉された空気CO2の1メートルトン当たりのエネルギー
MFG=捕捉した煙道ガスCO2の1メートルトン当たりのエネルギー
SHA=モノリスアレイの顕熱
デルタHR=DAC CO2部位と煙道ガスCO2部位との反応熱の差
THF=煙道ガス蒸気中の全熱源-顕熱+CO2反応熱+水凝縮熱-(天然ガスの熱値は一定ではないことに留意されたい)
Some acronyms above may be defined as follows.
FG- CO2 = ratio of CO2 to trapped air CO2 capture per cycle that is flue gas DA. CO2 = amount of air CO2 captured per cycle FGCAPEX = pure carb run Flue gas operating costs in the form, i.e., if a mixture of ambient air and flue gas is supplied to each capture structure, M* = total natural gas burned in MMBTu M = available heat and Electricity generated COGENE = combined heat and power efficiency = M/M*
FGCCO2 = flue gas CO2 captured per year
DACCO2 = air CO2 captured per year
FTCO 2 == total flue gas CO 2 produced with J\11* natural gas burned
MTCO2 = total CO2 captured per year = total CO2 from flue gas and air captured per year
ECF = efficiency of flue gas capture MDAC = energy per metric ton of trapped air CO2 MFG = energy per metric ton of trapped flue gas CO2 SHA = sensible heat of monolith array delta HR = Difference in heat of reaction between DAC CO 2 site and flue gas CO 2 site THF = total heat source in flue gas steam - sensible heat + CO 2 reaction heat + water condensation heat - (Natural gas heat value is not constant please note)
本発明のこれらおよび他の特徴は、以下の詳細な説明および添付の図面に記載されているか、またはそれらから明らかである。 These and other features of the present invention are set forth in, or are apparent from, the following detailed description and accompanying drawings.
本発明の本実施形態のより詳細な説明
上述のこれらの動作を実行するシステムの設計の簡略化された描写が、図1~6に示されている。必要とされる操作および補助機器の詳細な説明は、以下に記載されており、共通の米国特許第10,413,866号および第10,512,880号に示されているものと同様である。
More Detailed Description of the Present Embodiment of the Invention A simplified depiction of the design of a system that performs these operations described above is shown in FIGS. 1-6. A detailed description of the maneuvers and ancillary equipment required are described below and are similar to those shown in common U.S. Pat. Nos. 10,413,866 and 10,512,880. .
この実施形態では、10個の「捕捉構造体」が存在する。捕捉構造体は十角形構成に設置され、実質的に円形または弧状のトラック上に設置されることが好ましいが、その限りではない。各処理ユニットに関連付けられた2つの実質的に円形(または卵形)/十角形アセンブリが存在し、それらは示されるように相互作用する。この好ましい実施形態では、捕捉構造体の内側に設置された誘導式通風ファンによって空気が捕捉構造体を通過される。1つの場所では、捕捉構造体は、処理のために、トラックに沿って移動するときに、各捕捉構造体が挿入される単一の密封的なチャンバボックスに隣接する位置にある。密封的な再生チャンバボックス内で、それらは130℃以下、より好ましくは120℃以下、最適には100℃以下の温度に、好ましくは処理熱蒸気で加熱され、吸着剤からCO2を放出して吸着剤を再生させる。代替的に、再生チャンバは、勾配の上方または下方であることができる。この実施形態において、捕捉構造体によるCO2の吸着時間は、吸着剤再生時間の10倍長くなることが好ましい。 In this embodiment, there are ten "capture structures". The capture structures are preferably, but not exclusively, placed in a decagonal configuration and placed on substantially circular or arcuate tracks. There are two substantially circular (or oval)/decagonal assemblies associated with each processing unit and they interact as shown. In this preferred embodiment, air is forced through the capture structure by an induced draft fan located inside the capture structure. At one location, the capture structures are located adjacent to a single sealed chamber box into which each capture structure is inserted as it moves along the track for processing. In a closed regeneration chamber box they are heated to a temperature of 130°C or less, more preferably 120°C or less, optimally 100°C or less, preferably with treated hot steam to release the CO2 from the adsorbent. Regenerate the adsorbent. Alternatively, the regeneration chamber can be above or below the gradient. In this embodiment, the CO2 adsorption time by the capture structure is preferably ten times longer than the adsorbent regeneration time.
捕捉構造体において多孔質モノリシック基材を使用することが好ましいが、可能であれば、捕捉構造体上のフレーム内に支持される多孔質粒子、すなわち、粒状材料の静止ベッドを使用してよいことを理解されたい。いずれの場合も、粒子捕捉構造体が吸着剤を担持するためのモノリス捕捉構造体と同一孔体積を有する場合、多孔質基材はCO2用のアミン吸着剤を担持することが好ましい。 While it is preferred to use a porous monolithic substrate in the capture structure, it is possible to use porous particles, i.e. a stationary bed of particulate material, supported within a frame on the capture structure. Please understand. In either case, the porous substrate preferably supports an amine sorbent for CO2 when the particle capture structure has the same pore volume as the monolithic capture structure for supporting the sorbent.
概略図は、本発明に係るシステムの基本的な動作概念を図式化して示している。各々が十角形アセンブリ構成に設置され、円形トラック31、33上で移動可能に支持された10個の「捕捉構造体」21、22が存在する。各処理ユニットに関連付けられた2つの円形/十角形アセンブリであるA、Bが存在し、それらは相互に作用する。空気または煙道ガスは、十角形アセンブリの各々の半径方向内側に設置された誘導通風ファン23、26によって捕捉構造体21、22の各々を通過し、各捕捉構造体の内周面からシステムから離れる方向に排気ガスのフローを誘発する。トラック31、33に沿った1つの位置で、捕捉構造体21、22は、密封的な再生ボックス25、27に隣接しており、捕捉構造体21、22は、トラックの周りの1つの回転を完了した後、再生処理のためにその中に挿入される。
The schematic diagram illustrates the basic operating concept of the system according to the invention. There are ten "capturing structures" 21,22 each mounted in a decagonal assembly configuration and movably supported on
したがって、図1および2に示されるように、第1の捕捉構造体21は、処理のために再生ボックス25内の位置まで回転される。それは、勾配上の再生ボックス25のためである。捕捉構造体が再生ボックス25内の位置にあるとき、トラックに沿った移動は、捕捉構造体のすべてに対して停止される。代替的に、トラックの直径および捕捉構造体を大きくすることによって、かつ、再生ボックスおよび任意の煙道ガス吸着ハウジング(121、221、122、222)上に適切な密封システムを有することによって、継続的な移動が可能となる。捕捉構造体21,22が再生されて、捕捉構造体のすべてが移動するとき、図1に示すように、再生された捕捉構造体は再生ボックス25,27から移動され、それにより、次の捕捉構造体21,22が煙道ガスを処理した後に移動され得る。この処理は実質的に継続的に繰り返される。図面に示される好ましい実施形態では、各トラック上の捕捉構造体の1つ以上は、煙道ガス吸着ハウジング(121、221、122、222)から移動する。そのタイミングは煙道ガス脱着のタイミングと一致することが好ましい。代替的に、捕捉構造体が再生ボックスおよび1つ以上の煙道ガス吸着ハウジング(121、221、122、222)に入力する毎に、捕捉構造体の移動は停止され得る。次いで、脱着および煙道ガス吸着が完了すると、移動が再開される。
Thus, as shown in Figures 1 and 2, the
しかしながら、上記で説明したように、本プロセス発明は、低温(好ましくは周囲~100℃)の半連続処理であり、処理の各フェーズで一方向の質量輸送を有する。この処理のさらなる新規の態様では、ガス混合物からCO2を捕捉する反応が、(アミノポリマー上の1つの好ましい実施形態では)再生可能材料で生じ、再生可能材料、例えば、アミノポリマー吸着剤が多孔質基材内に含浸されている状態で生じることが好ましい。 However, as explained above, the present process invention is a low temperature (preferably ambient to 100° C.), semi-continuous process with unidirectional mass transport during each phase of the process. In a further novel aspect of this process, the reaction that captures CO2 from the gas mixture takes place on a renewable material (in one preferred embodiment on aminopolymers) and the renewable material, e.g. It preferably occurs impregnated within the base material.
好ましい実施形態では、吸着剤担持捕捉構造体は、各捕捉構造体を形成するためのフレームワークによって順に支持されるモノリシック基材を含む。 In preferred embodiments, the sorbent-bearing capture structures comprise a monolithic substrate that is in turn supported by a framework to form each capture structure.
2つの十角形リングアセンブリは相互に動作するが、各十角形リングのための捕捉構造体は、以下に説明するように、わずかに異なる時間にそれらの脱着/再生ボックスの内外に移動される。これにより、例えばボックス25での再生が完了したときに、例えば、ボックス25とボックス27との間で熱を通過させて他方のボックス、例えば再生ボックス27に予熱を与えることが可能となる。これにより、再生開始時の熱を節約し、再生後の捕捉構造体の冷却コストを削減する。
Although the two decagon ring assemblies are interoperable, the capture structures for each decagon ring are moved in and out of their desorption/regeneration boxes at slightly different times, as described below. This makes it possible, for example, to pass heat between the
再生ボックス25,27の設置場所は、連続した動きを許容しない、回転する捕捉構造体の上方または下方、あるいは勾配水準の3カ所が利用可能である。米国特許第10,413,866号および同第10,512,880号を参照されたい。
Three locations are available for the
再生チャンバ327は、回転捕捉構造体アセンブリの勾配上に設置される。ボックスは、保守および処理配管のための適切なアクセス性を備えて、同様に勾配上に設置されている。好適な相互の密封面は、ボックス上および各捕捉構造体上に設置され、それにより、捕捉構造体がボックス内の位置に移動すると、移動が上昇している再生ボックス内への上向きであるか、または、勾配よりも低い再生ボックス内への下向きであるか、あるいは、勾配上の再生ボックスへの直進であるかどうかに関わらずに、ボックス327は密封される。煙道ガス吸着ハウジング(121、221、122、222)が勾配上あるいは勾配より下方または上方であり得る実施形態でも同様である。また、煙道ガスまたは部分的に洗浄された煙道ガスを捕捉構造体内に供給するために、トラックに沿った直前の位置のためのオプションの閉鎖チャンバも存在する。
Regeneration Chamber 3 27 is mounted on the gradient of the rotating capture structure assembly. The box is similarly installed on a slope with adequate accessibility for maintenance and process piping. Suitable mutual sealing surfaces are placed on the box and on each capture structure such that when the capture structure is moved into position within the box, the movement is upward into the regeneration box on the rise. Or, whether downward into the regeneration box below grade, or straight into the regeneration box on grade,
すべての場合において、補助機器(ポンプ、制御システムなど)は、回転捕捉構造体アセンブリ39を支持するトラックの円周内または外側の勾配に設置されることが好ましい。
In all cases, the ancillary equipment (pumps, control systems, etc.) is preferably installed on the slope inside or outside the circumference of the track supporting the rotating
再生ボックスおよびハウジングは、本発明の概念または範囲から逸脱することなく、特定の状況において異なる水準で設置され得る。 The regeneration box and housing may be installed at different levels in particular situations without departing from the concept or scope of the present invention.
本発明の範囲内にある代替の設計は、一対の再生ボックスであるチャンバ25がトラックに沿って移動することができるシステムを提供する。これは、再生ボックス25が広範囲に分離されないように、トラック設計が直線トラックに沿った捕捉構造体による往復運動が可能である場合に最適である。従来技術における既存の開示された装置と比較して、これは以下の通りである。
構造体用鋼材を最小限に抑える。
格納容器としてのみ機能する再生ボックスを除き、すべての主要機器を勾配水準で配置する。
ボックスがトラックと異なる水準にある場合、捕捉構造体への空気のフローを確実に干渉させない。
捕捉構造体のすべてを回転させて、それらを再生ボックス内に移動させる、より大きなマルチユニットシステムの移動を防止する。
効率を高めるために望ましい熱交換を許容にするために、2つの再生ボックスを最小限の間隙で隣接させることが可能となる。
An alternative design within the scope of the present invention provides a system in which a pair of regeneration boxes,
Minimize structural steel.
Locate all major equipment at grade level, except for the regeneration box, which serves only as a containment vessel.
Ensure that if the box is at a different level than the track, it does not interfere with the air flow to the capture structure.
Rotate all of the capture structures to prevent movement of the larger multi-unit system moving them into the regeneration box.
It allows the two regeneration boxes to be adjacent with a minimal gap to allow for the desired heat exchange for increased efficiency.
必要な機械および動力を備えた機械的動作には、以下が含まれる。
支持構造体上の実質的に円形のトラックの周りに2セットの捕捉構造体アセンブリを回転させ、捕捉構造体が停止される位置まで構成要素を正確に位置決めして、捕捉構造体を再生ボックスおよび任意の煙道ガス吸着ハウジングの内外へ確実に、かつ自由に移動させる。
捕捉構造体または基材のみを取り外し、捕捉構造体を再生ボックスへ挿入し、捕捉構造体を再生ボックスから取り外し、捕捉構造体をトラックアセンブリ上のその位置に再挿入する。これらの移動のすべては垂直方向に、または代替的にトラック上の水平回転運動の一部として生じる。捕捉構造体および再生ボックスは、垂直に移動可能な捕捉構造体に対して、捕捉構造体の各々の上部または下部とボックスの支持構造体との間に実質的に気密シールが存在するように設計される。このような再生ボックスまたは煙道ガス吸着ハウジングの勾配に対して、シールが側面ならびに上面および底面にあり得る。あるいは、捕捉構造体が再生ボックスまたは煙道ガス吸着ハウジング内に移動するときに閉じる密封ドアが存在し得る。そのようなシールのいくつかの概念設計の例は、以前に発行された米国Eisenbergerの特許および本出願の図10に示されている。
Mechanical actions with the necessary machinery and power include:
Rotating the two sets of capture structure assemblies about substantially circular tracks on the support structure and precisely positioning the components to positions where the capture structures are stopped, the capture structures are placed in the regeneration box and Securely and freely moves in and out of any flue gas adsorption housing.
The capture structure or substrate alone is removed, the capture structure is inserted into the regeneration box, the capture structure is removed from the regeneration box, and the capture structure is reinserted in its position on the track assembly. All of these movements occur vertically or alternatively as part of a horizontal rotational movement on the track. The capture structure and regeneration box are designed such that for vertically movable capture structures there is a substantially airtight seal between the top or bottom of each of the capture structures and the support structure of the box. be done. Seals can be on the sides as well as on the top and bottom for slopes of such regeneration boxes or flue gas adsorption housings. Alternatively, there may be a sealed door that closes when the capture structure moves into the regeneration box or flue gas adsorption housing. Examples of several conceptual designs of such seals are shown in the previously issued US Eisenberger patent and FIG. 10 of this application.
1つの好ましい実施形態の全ての場合において、図1~9を参照すると、捕捉構造体21-1(リングA)は、所定の位置に回転され、次いで、処理のために再生または脱着、ボックス25に移動される。(捕捉構造体21-1、リングAを収容する)脱着ボックス25内の圧力は、例えば、真空ポンプ230を使用して、0.2バール未満に低下される。ボックス25は、ライン235を介して大気圧で蒸気を用いて加熱される。捕捉構造体21-1からCO2が生成され、コンデンサ240上で分離されるCO2および凝縮液のためのボックス25から出口配管237を介して除去される(図3)。次いで、上記(図3)のように、ボックス25が処理されている間に捕捉構造体22-1(リングB)がボックス27(リングB)に配置される。ボックス25への蒸気供給が停止され、CO2および凝縮液の出口配管が分離される。ボックス25およびボックス27は、接続配管125(図3)内の弁126を開放することによって接続される。
In all cases of one preferred embodiment, referring to FIGS. 1-9, the capture structure 21-1 (Ring A) is rotated into position and then regenerated or detached for processing,
ボックス27内の圧力は、ボックス27に関連付けられた真空ポンプ330を使用して低下される。これにより、双方のボックス内のシステム圧力を低下させ、ボックス25に残存する蒸気および不活性要素がボックス27を通して引き出され、次いで真空ポンプに引き出される。これにより、ボックス25(および、それゆえ捕捉構造体21-1、リングA)をより低い温度(すなわち、ボックス内の蒸気の分圧における飽和温度)に冷却して、捕捉構造体21-1が空気流に戻されて配置されるときの吸着剤の酸素非活性化の可能性を低減する。この処理はまた、ボックス27(および、それゆえ捕捉構造体22-1、リングB)を、ボックス25内の蒸気の分圧で周囲温度から飽和温度まで予熱する。したがって、エネルギーが回収され、第2のボックス27(捕捉構造体22-1リングB)を加熱するのに必要な大気圧蒸気の量が低減される(図3)。真空ポンプ330がボックス25および27内の圧力を低下させると、第1のボックス25の温度が(おおよそ100℃からある程度の中間温度まで)低下し、第2のボックス27の温度が(周囲の温度から同一の中間温度まで)上昇する。CO2および不活性ガスは、真空ポンプ330によってシステムから除去される。
The pressure within
第1のボックス25と第2のボックス27との間の弁が閉じられて、ボックスは相互に分離される。捕捉構造体21-1リングAは、捕捉構造体が空気流中に戻されて配置されるときに、吸着剤の酸素非活性化が懸念される温度よりも低い温度まで冷却される。第2のボックス27および捕捉構造体22-1、リングBは予熱されているため、ボックスおよび捕捉構造体を加熱するために必要な蒸気の量が減少する。次いで、捕捉構造体21-1リングAが捕捉構造体アセンブリ内に移動される。リングA捕捉構造体アセンブリは、1つの捕捉構造体によって回転され、次いで、捕捉構造体21-2リングAは、予熱の準備ができているボックス25に挿入される。ボックス27は大気蒸気で加熱され、剥離されたCO2が回収される。
A valve between the
(捕捉構造体22-1リングBを収容する)第2のボックス27が完全に再生されたとき、ボックスBへの蒸気供給は分離され、CO2および凝縮液の配管は弁241、242を使用して分離される。第1のボックス25と第2のボックス27との間の弁126が開放され、ボックス25、27内の圧力は、ボックス25のための真空ポンプ230システムを使用して低下される。第2のボックス27(それゆえ捕捉構造体22-1、リングB)の温度は低下する(上記5参照)。(捕捉構造体21-2、リングAを収容する)第1のボックス25の温度が上昇する(上記5を参照)(図5G)。真空ポンプ230は、ボックス25、27内の圧力を低下させる。ボックス25の温度が(おおよそ100℃からある中間温度まで)低下する。ボックス27の温度が(周囲温度から同一中間温度まで)上昇する。CO2および不活性ガスは、真空ポンプ230によってシステムから除去される。捕捉構造体22-1、リングBは、リングアセンブリ内に戻され、アセンブリは1つのベッドを回転させる。次いで、捕捉構造体22-2、リングBがボックス27に挿入される。(捕捉構造体21-2リングAを収容する)ボックス25を大気蒸気で加熱して、CO2を放出させて吸着剤を再生する(図5H)。次に、ボックス27の予熱が上述のように行われる。十角形は何度も回転するため、すべてのベッドでこの処理が繰り返される。
When the second box 27 (which houses the capture structure 22-1 ring B) is fully regenerated, the steam supply to box B is isolated and the CO2 and condensate lines are connected using
双方のリングが再生ボックスへ入力する直前に一対の煙道ガス吸着ハウジングを備える、図8に示される好ましい実施形態を扱う場合、好ましくは前処理された煙道ガスの供給が提供される。例えば、再生ボックスの直前の第9の吸着段階には、通常約10~15%のCO2を有する前処理された煙道ガス、または前処理された煙道ガスと周囲の空気との混合物のいずれかが供給される。その段階からの排気は、例えば、2~8%のCO2を含有することができる。好ましくは、上限範囲のCO2が排出されるとき、最も好ましくは、排ガスが直前の脱着段階のハウジングに通してさらに吸着され、排ガスを大気中に排出するのに適した程度に低減させる。 When dealing with the preferred embodiment shown in Figure 8, in which both rings comprise a pair of flue gas adsorption housings just before entering the regeneration box, a supply of pretreated flue gas is preferably provided. For example, the ninth adsorption stage immediately prior to the regeneration box contains pretreated flue gas, or a mixture of pretreated flue gas and ambient air, typically having about 10-15% CO 2 . either supplied. The exhaust from that stage can contain, for example, 2-8% CO 2 . Preferably, when the upper range of CO2 is vented, most preferably the exhaust gas is further adsorbed through the housing of the immediately preceding desorption stage to reduce the exhaust gas to a suitable level for venting to the atmosphere.
好ましい設計パラメータ
システム設計のための現行の好ましい基本原理は以下のとおりである。
移動させる捕捉構造体のそれぞれの重量:
1,500~10,000lbs.(支持構造体を含む)
ベッドのおおよそのサイズ:幅:5~6メートル
高さ:9~10メートル
深さ:0.15~1メートル
Preferred Design Parameters The current preferred basic principles for system design are as follows.
Weight of each captured structure to move:
1,500-10,000lbs. (including support structure)
Approximate bed size: Width: 5-6 meters Height: 9-10 meters Depth: 0.15-1 meter
捕捉構造体の大きさは、システムの各対の地理的位置における特定の条件および所望の、すなわち達成可能な処理パラメータに応じて調整され得ることに留意されたい。 It should be noted that the size of the capture structures may be adjusted depending on the specific conditions and desired or achievable processing parameters at each pair of geographic locations in the system.
十角形リングの各々に10個の捕捉構造体を備えるシステムに対して、好ましい円形/十角形構造体の外系の大きさは、約15~17メートル、好ましくは約16.5メートルである。捕捉構造体支持構造体は、例えば、電気モータおよび駆動輪によってトラックに沿って個別に駆動されてもよい。あるいは、支持構造体は、トラックに沿った特定の位置、ならびにトラックおよび閉ループの周囲のすべての構造体を駆動するために使用される単一の大きなモータに固定されてもよい。いずれの場合も、再生ボックスは1つの場所に配置され、支持構造体の1つが再生ボックス内に移動されるように設置されたときに、構造体のすべてがそれらの移動を停止することができる。単一の駆動モータまたはエンジン、あるいは複数の駆動モータまたはエンジンの経済性は、場所および駆動が電気モータによって達成されるか、またはいくつかの燃料駆動エンジンによって達成されるかなどの多くの要因に依存する。駆動ユニットの性質自体は、本発明の主要な特徴ではなく、多くは当業者に周知である。適切なエンジンの例は、例えばスターリングエンジンサイクルを使用して動作する内燃または外燃機関あるいはガス圧駆動エンジン、処理蒸気機関、あるいは、油圧または空気圧機関を含む。 For a system with 10 capture structures in each decagonal ring, the preferred outer system size of circular/decagonal structures is about 15-17 meters, preferably about 16.5 meters. The capture structure support structures may be driven individually along the track by, for example, electric motors and drive wheels. Alternatively, the support structure may be fixed to a single large motor that is used to drive specific locations along the track and all structures around the track and closed loop. In either case, the play box is placed in one location and all of the structures can stop their movement when one of the support structures is placed to be moved into the play box. . The economics of a single drive motor or engine, or multiple drive motors or engines, depends on many factors such as location and whether the drive is accomplished by an electric motor or by several fuel-driven engines. Dependent. The nature of the drive unit per se is not a primary feature of the invention and many are well known to those skilled in the art. Examples of suitable engines include, for example, internal or external combustion or gas pressure driven engines, process steam engines, or hydraulic or pneumatic engines operating using the Stirling engine cycle.
再生ボックスがトラック水準の上方に設置されている場合、上部はトラック水準の約20メートル上方にある。再生ボックスがトラックの勾配の下方に設置されている場合、ボックスの上部はトラックの勾配のすぐ下方にある。勾配上のボックスは、再生中にボックス内の捕捉構造体を完全に収容するために、捕捉構造体の上部より最小限の高さで配置される。 If the regeneration box is installed above track level, the top is approximately 20 meters above track level. If the regeneration box is installed below the slope of the track, the top of the box is just below the slope of the track. The box on the gradient is placed at a minimum height above the top of the trapping structure in order to completely contain the trapping structure within the box during regeneration.
再生ボックスが勾配上にない場合、捕捉構造体を再生ボックスの内外に移動させるための昇降システムは、30秒~120秒、好ましくは30秒~45秒の範囲内の期間中にボックスの内外への移動を達成することができるはずである。期間が短いほど、処理パラメータの柔軟性が向上する。大規模な捕捉構造体を移動させるには、ある種の固有の力学的制限があることが認識される。再生ボックスが勾配上にある場合の1つの利点は、垂直方向の移動が不要なことである。捕捉構造体は回転運動の一部としてボックス内に回転して密閉するだけなので、垂直方向の移動、時間の損失、エレベータの追加資本コストを避けられる。いずれの場合も、捕捉構造体の2つのエッジが固体であり、再生ボックスのエッジとシールを形成する。 If the regeneration box is not on an incline, the lift system for moving the capture structure into and out of the regeneration box should move in and out of the box for a period of time in the range of 30 seconds to 120 seconds, preferably 30 seconds to 45 seconds. should be able to achieve a move to Shorter periods allow greater flexibility in processing parameters. It is recognized that moving large capture structures has certain inherent mechanical limitations. One advantage of having the play box on a gradient is that no vertical movement is required. The capture structure simply rotates and seals into the box as part of the rotational motion, thus avoiding the vertical movement, lost time, and additional capital cost of the elevator. In either case, the two edges of the capture structure are solid and form a seal with the edge of the regeneration box.
Claims (20)
前記第1のチャンバが、CO2含有煙道ガスの供給源に接続されるように設計された入口と、前記CO2の少なくとも一部が前記吸着剤によって吸着された後のCO2浄化煙道ガスのための出口とを備える、システム。 A system for removing carbon dioxide from a carbon dioxide-containing gas mixture comprising: a group of carbon dioxide removal structures, each removal structure within each group being supported on said structure; each porous substrate having an adsorbent supported within its pores, the adsorbent adsorbing or binding carbon dioxide to remove the carbon dioxide from the gas mixture. a group of carbon dioxide removal structures and an infinite loop support for said group of carbon dioxide removal structures, said infinite loop support following a closed curve while being exposed to a flow of a carbon dioxide-containing gas mixture. an infinite loop support arranged to allow movement of each group of said removal structures, and a position along said infinite loop support at which one removal structure may be sealingly mounted. wherein carbon dioxide adsorbed by said sorbent is stripped and captured from said sorbent when the removal structure is sealed in place therein and said sorbent is regenerated. and a sealed regeneration box, wherein said removal structure is positioned such that said adsorbent is exposed to a flow of a carbon dioxide-containing gas mixture to enable removal of CO2 from said gas mixture. Each of the bodies supports the porous substrate, and the number of removal structures relative to the number of regeneration boxes determines the adsorption time (to remove CO2 from the gas mixture) and the adsorption time (on the porous substrate). (to strip CO2 from the adsorbent) and the regeneration time, the adsorption time is determined directly by the ratio of CO2 from the gas mixture onto the adsorbent from the base level of the adsorbent to the desired is the time to adsorb to a level, the regeneration time is the time to strip the CO2 until the desired level on the adsorbent returns to the base level, and the system is positioned one position along the track. further comprising a first chamber in, said first chamber designed to sealingly house each capture structure moving along said track;
an inlet designed for said first chamber to be connected to a source of CO2 - containing flue gas, and a CO2 purification flue after at least a portion of said CO2 has been adsorbed by said adsorbent. and an outlet for gas.
前記第2のチャンバが、前記第1のチャンバに入力する前に前記トラックに沿って移動する各捕捉構造体を密封して収納するように設計されている、請求項1に記載のシステム。 further comprising a second chamber at a position along the track upstream of the first chamber;
2. The system of claim 1, wherein the second chamber is designed to sealingly contain each capture structure traveling along the track before entering the first chamber.
前記除去構造体の前記第2の群のための第2の無限ループ支持体であって、前記第2の無限ループ支持体が、閉曲線に沿った前記第2の群の前記それぞれの除去構造体の移動を可能にするように配置された、第2の無限ループ支持体と、1つの除去構造体が密封的に配置され得る、前記無限ループ支持体の各々に沿った1つの位置での第2の密封的な再生ボックスであって、1つの除去構造体がその中の所定の位置で密封されると前記吸着剤に吸着された二酸化炭素が前記吸着剤から剥離および捕捉され、前記吸着剤が再生される、第2の密封的な再生ボックスと、をさらに備え、前記密封的な再生ボックスが前記再生ボックスを処理蒸気の発生源に接続する密封的な導管をさらに備え、導管が前記再生ボックスからガスを除去するための排気ポンプに接続し、前記第2の群の除去構造体の各々は、前記基材の少なくとも1つの主要表面が二酸化炭素含有ガス混合物の流れに晒され、前記基材の反対側の主要表面が大気に直接晒され、かつ、前記吸着剤が二酸化炭素含有ガス混合物のフローに晒されると前記ガス混合物からCO2を除去可能となる、前記再生ボックスの外部の前記閉ループ支持体に沿った位置で多孔質基材を支持し、前記再生ボックスの数に対する前記除去構造体の数が、(前記ガス混合物からCO2を除去するための)吸着時間と(前記多孔質基材上の前記吸着剤からCO2剥離させるための)再生時間との比率によって直接的に決定され、前記吸着時間は、前記吸着剤上にガス混合物からCO2を、前記吸着剤のベースレベルから所望のレベルまで吸着する時間であり、前記再生時間は、前記吸着剤上の前記所望のレベルを前記ベースレベルに戻すまで前記CO2を剥離させる時間である、請求項1に記載のシステム。 each carbon dioxide removal structure in a second group, each respective removal structure in each group comprising a porous solid substrate supported on said removal structure, each porous substrate has an adsorbent supported within its pores, said adsorbent is capable of adsorbing or binding carbon dioxide to remove it from a gas mixture a removal structure;
a second infinite loop support for the second group of removal structures, the second infinite loop support aligning the respective removal structures of the second group along a closed curve A second infinite loop support, arranged to allow movement of a second infinite loop support, and a first removal structure at a position along each of said infinite loop supports, wherein one removal structure may be sealingly arranged. 2 sealed regeneration boxes wherein carbon dioxide adsorbed on said adsorbent is stripped and captured from said adsorbent when one removal structure is sealed in place therein; a second sealed regeneration box in which is regenerated, said sealed regeneration box further comprising a sealed conduit connecting said regeneration box to a source of process vapor, said conduit connecting said regeneration connected to an exhaust pump for removing gas from the box, each of said second group of removal structures exposing at least one major surface of said substrate to a flow of a carbon dioxide-containing gas mixture; outside the regeneration box, wherein the opposite major surface of the material is directly exposed to the atmosphere and the sorbent is capable of removing CO2 from the gas mixture when exposed to a flow of a carbon dioxide-containing gas mixture. Supporting porous substrates at positions along a closed-loop support, the number of removal structures relative to the number of regeneration boxes is the adsorption time (to remove CO2 from the gas mixture) and the porous The adsorption time is determined directly by the ratio of the regeneration time (to strip CO2 from the adsorbent on the substrate) to the CO2 from the gas mixture onto the adsorbent and the base level of the adsorbent. 2. The system of claim 1, wherein the regeneration time is the time to strip the CO2 until the desired level on the adsorbent returns to the base level.
前記2つの群の二酸化炭素除去構造体の各々の回転運動は、前記再生ボックスの一方の二酸化炭素除去構造体の再生が開始された後に、前記再生ボックスの他方の二酸化炭素除去構造体が入力するようにオフセットされる、請求項8に記載のシステム。 a sealed fluid connection between each regeneration box and an exhaust pump for reducing the atmospheric pressure within the sealed regeneration box after the removal structure is sealed within the regeneration box; and the regeneration box. and a source of process heat steam for each regeneration box; and a sealed fluid connection between each regeneration box and the CO2 recovery chamber. ,
The rotational motion of each of the two groups of carbon dioxide removal structures is entered by the other carbon dioxide removal structure of the regeneration box after regeneration of one of the carbon dioxide removal structures of the regeneration box is initiated. 9. The system of claim 8, wherein the offset is such that
前記方法が、前記トラックに沿って設置された第1のチャンバ内にCO2含有煙道ガスを流入させることであって、前記第1のチャンバが前記トラックに沿って移動する各捕捉構造体を密封的に含有し、前記捕捉構造体上の前記多孔質基材内の前記吸着剤が、吸着時間の間に前記煙道ガスから二酸化炭素を吸着および除去する、流入させることと、前記トラックに沿って前記第1のチャンバから前記捕捉構造体を移動させる前に、前記第1のチャンバから前記CO2浄化煙道ガスを通過させることと、をさらに含む、方法。 A method of removing carbon dioxide from a carbon dioxide containing gas mixture comprising moving a group of respective carbon dioxide removal structures around a closed infinite loop while being exposed to a flow of said carbon dioxide containing gas mixture. wherein each removal structure in said group comprises a porous solid substrate supported on said structure, each porous substrate having an adsorbent supported within its pores; The adsorbent is capable of adsorbing or binding carbon dioxide and removing carbon dioxide from the gas mixture during the adsorption time, moving and a removal structure in place therein. along the endless loop support such that, when sealed, carbon dioxide adsorbed on the adsorbent is removed from the adsorbent and captured, and the adsorbent is regenerated during a regeneration time. sealingly disposing a carbon dioxide removal structure within a regeneration box at one location, each of said removal structures supporting said porous substrate on said closed infinite loop; except when the body is placed in the regeneration box, such that the adsorbent is continuously exposed to a flow of a carbon dioxide-containing gas mixture so as to allow removal of CO2 from the gas mixture. In an internal position, when the removal structure is positioned within the regeneration box, the adsorbent is exposed to process heat at a temperature below 130° C. to strip the CO2 from the adsorbent, and The number of removal structures relative to the number of regeneration boxes is directly determined by the ratio of the adsorption time to the regeneration time, the adsorption time being the length of time each structure is exposed to the flow of the carbon dioxide-containing gas mixture. is the time to adsorb CO2 from the gas mixture on the sorbent from a base level on the sorbent to the desired level during which the regeneration time is the time the structures are in the regeneration box. is a time to adsorb CO2 on the adsorbent until the desired level on the adsorbent returns to the base level;
The method comprises flowing CO2 - containing flue gas into a first chamber positioned along the track, the first chamber passing through each capture structure moving along the track. the adsorbent hermetically containing and within the porous substrate on the capture structure adsorbs and removes carbon dioxide from the flue gas during an adsorption time; and passing said CO2 - purified flue gas from said first chamber prior to moving said capture structure from said first chamber along.
前記第2のチャンバが、前記第1のチャンバに入力する前に前記トラックに沿って移動する各捕捉構造体を密封して収納する、請求項12に記載の方法。 further providing a second chamber located along the track upstream of the first chamber;
13. The method of claim 12, wherein said second chamber sealingly houses each capture structure that moves along said track before entering said first chamber.
吸着時間の間に、それぞれの各二酸化炭素除去構造体を前記二酸化炭素含有ガス混合物の流れに晒して、前記ガス混合物から二酸化炭素を除去することであって、前記ガス混合物からのCO2の除去が可能になるように、前記吸着剤が二酸化炭素含有ガス混合物のフローに晒されるような位置に、その閉無限ループのそれぞれの上で前記多孔質基材を支持する前記除去構造体の各々がある、除去することと、
各ループに隣接する再生ボックスを1つの場所に設けることと、
前記無限ループ支持体の各々に沿った1つの場所で、前記二酸化炭素除去構造体のうちの1つを再生ボックス内に順次密封的に配置することと、
1つの除去構造体がその中の所定の位置に密封されたとき、前記吸着剤上に吸着された二酸化炭素が、前記吸着剤から剥離されて捕捉され、前記吸着剤が再生されるように、再生時間中に各再生ボックス内に密封的に配置された各除去構造体上に前記吸着剤を130℃未満の温度の処理熱に晒してCO2を前記吸着剤から剥離させることと、を含み、
各ループに隣接して設けられた再生ボックスの数に対して、各ループに設けられた除去構造体の数が前記吸着時間と前記再生時間との比率によって直接的に比例し、かつ、決定され、前記吸着時間は、前記吸着剤上のガス混合物からのCO2を前記吸着剤上のベースレベルから所望のレベルに吸着する時間であり、前記再生時間は、前記吸着剤上の前記所望のレベルを前記ベースレベルに戻すまで吸着剤上のCO2を剥離する時間である、請求項12に記載の方法。 providing a second group of removal structures and a second moving infinite loop for supporting said second group, each of which moves around said second closed infinite loop; Each removal structure in the group comprises a porous solid substrate supported by each of said removal structures, each porous substrate having an adsorbent supported within its pores, said adsorbent comprising providing, capable of adsorbing or binding carbon dioxide;
exposing each respective carbon dioxide removal structure to a flow of said carbon dioxide - containing gas mixture during an adsorption time to remove carbon dioxide from said gas mixture; each of said removal structures supporting said porous substrate on each of its closed infinite loops in a position such that said adsorbent is exposed to the flow of a carbon dioxide-containing gas mixture so as to enable There is removing and
providing a play box adjacent to each loop in one location;
sealingly placing one of said carbon dioxide removal structures sequentially in a regeneration box at one location along each of said infinite loop supports;
so that when one removal structure is sealed in place therein, the carbon dioxide adsorbed on the sorbent is stripped and captured from the sorbent, and the sorbent is regenerated; exposing the adsorbent to treatment heat at a temperature below 130° C. to strip CO2 from the adsorbent on each removal structure hermetically disposed within each regeneration box during a regeneration period. ,
The number of removal structures provided in each loop is directly proportional to and determined by the ratio of the adsorption time to the regeneration time relative to the number of regeneration boxes provided adjacent each loop. , the adsorption time is the time to adsorb CO2 from the gas mixture on the adsorbent from a base level on the adsorbent to a desired level, and the regeneration time is the time to adsorb the desired level on the adsorbent. 13. The method of claim 12, wherein the time to strip the CO2 on the adsorbent until the <RTIgt;
前記他方の再生ボックス内の前記大気圧を予め設定された圧力に減少させることと、前記第1の再生ボックス内の前記除去構造体の指定された再生が完了した後に前記2つの再生ボックス間の密封された接続部を開放し、前記第1の再生ボックス内の残りの蒸気を引き出して前記第2の再生ボックスを予熱し、前記第1の再生ボックス内の前記除去構造体を冷却することと、前記冷却された除去構造体を前記第1の再生ボックスから前記無限ループ上に戻すことと、前記除去構造体が前記無限ループの周りを移動し、前記再生ボックスに周期的に再入力するようにこのサイクルを継続することと、をさらに含む、請求項19に記載の方法。 one of the two groups of carbon dioxide removal structure groups has an adjacent first regeneration box, and the other of the two groups of carbon dioxide removal structure groups has an adjacent second regeneration box; The method comprises: after regeneration of the carbon dioxide removal structures in the first regeneration box has begun, the two groups of carbon dioxide removal structures enter the second one of the regeneration boxes. offsetting the rotational movement of each of the carbon dioxide removal structures;
reducing the atmospheric pressure in the other regeneration box to a preset pressure; opening a sealed connection and withdrawing residual vapor in the first regeneration box to preheat the second regeneration box and cool the removal structure in the first regeneration box; returning the cooled removal structure from the first regeneration box onto the infinite loop; and moving the removal structure around the infinite loop and periodically re-entering the regeneration box. 20. The method of claim 19, further comprising continuing the cycle to .
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